小特集 灘む 光源としてのプラズマー基礎と最近の研究から 2．蛍光ランプ ー概要と最近の課題 安田丈夫 （東芝ライテック株式会社） （1996年2月14日受理） Fluorescent Lamps−Outline and Recent Subjects YASUDA Takeo Flπ076soε雇加〃ψE％9ぎπ66吻gS60あo％，加〃ψID魏s乞oπ， Tosh必α．乙忽hガng＆T66h％olo8ンCoη）o耀あoπ，yioゐosz漉ごz23Zノの召％ （Receive（114February l996） Abstract Fluorescent lamps are the electric products well known，which utilize gas discharge plasma．In this chapter，the structure and characteristics of the lamp are outlined．Also recent subjects of the lamp： electronic compact fluorescent lamp，electrodeless lamp，color temperature variable、lamp，are intro− duced． KeywordSl mercury and rare gas discharge，electro（le with oxide emitter，’electronic compact fluorescent lamp， electrodeless lamp，color temperature variable lamp 1．はじめに 今回の小特集の中で，2章では蛍光ランプにつき解説 蛍光ランプは，プラズマを利用した身近な電気製品で するが内容は以下のとおりとする．①蛍光ランプの一般 ある．このランプは米国のGE社が1938年に報道発表し 的な説明として，構造，動作原理，プラズマとしての性 て以来，約60年にわたり世界中の研究者や技術者によっ 質，②量産されている蛍光ランプの種類（特に電球形蛍 て改良がなされてきた．その発達の経緯については， 光ランプの省エネルギー効果につき，少し余計にスペー 1988年の照明学会誌［王］に「蛍光ランプ実用化50年」特 スを割く），③LS7で発表された蛍光ランプの課題の中 集としてまとめられている．その時点から更に8年が経 から，無電極蛍光ランプと可変色蛍光ランプについて紹 過した現在でも，蛍光ランプは成熟した量産製品であり 介する． ながら同時に着実に進歩している．1995年，京都で行わ 2．蛍光ランプとはどういうランプか？ れたLS7（The7thlntemationalSymposiumontheSci− ence＆TechnologyofLightSources）［2］は3年ごとに 一般照明用の光源として世の中で使われているものの 開催される光源の国際シンポジウムであるが，そこでは 多くは，固体熱放射または気体放電を利用している．前 最新の研究課題について論じられている．筆者は，電球 者の代表は白熱電球やハロゲンランプであり，後者には 形蛍光ランプと呼ばれる種類の製品技術者であるが，そ 蛍光ランプをはじめ低圧ナトリウムランプやHID（High のランプの絶縁破壊につきLS7で発表した［3］． Intensity Discharge）ランプが含、まれている．こ 299 プラズマ・核融合学会誌第72巻第4号 1996年4月 蛍光ランプの管断面にわたり平均化した電子密度は2× Base 1017缶3であり［5］，これは0．8Paの圧力の水銀原子の約 Stem 0．1％のみがイオン化しているにすぎない弱電離プラズ Emitter マである．希ガスは電子温度の制御，ランプの寿命（後 Fluorescent M 述する），アルゴンガスにおいてはペニング効果により Σ 一 ユ ，へ胴r Mercuγy 始動時の絶縁破壊電圧を下げる役割などを担うが，電離 電圧が水銀より高いため普通の点灯状態での電離度はさ GIass Tube らにイ氏い． inert Gas ②ガラス管内壁には紫外線を可視光線に変換する蛍光 Filaments 体の膜が塗布されており，その厚さはミクロン・オーダ である．蛍光体材料の大きな転換は1974年の三波長域発 Fig．1 Structure of fIuorescent Iamp 光形蛍光体の実用化である［7］．それ以前は，白色単体 れらには光源［4］，気体放電ランプ［5，6］につき解説して のハロ燐酸カルシウムタイプが使用されていたが，三波 いるよく知られた名著があるので参考にされたい． 長域発光形の希土類蛍光体を用いたランプのほうが発光 Fig．1に蛍光ランプの構造図を示すが，主な構成要素 効率が高く，物の色の見え方の良さを表す演色評価数も は①水銀蒸気と希ガスの混合気体放電プラズマ，②水銀 κ の共鳴放射準位から発せられた254nmの紫外線を可視 105 光線に変換する蛍光体，③プラズマ空間に電子を供給す ’＝00ηSオαηf ￥ ￥ 、 、 る陰極と陽極の両者を兼ねる電極である．また蛍光ラン 、 、 、 104 プは，④点灯するための回路も重要で，以下この順に説 弄、 明する． 石 γ 、 、 、 、 ’”暢｝に” ’ ，一一一”一一一陶r ↑ ①最も一般的な蛍光ランプは，管径がφ25∼3融凱程度 103 の軟質ガラスチューブの両端に電極を備えた円柱空問 石 に，水銀と400Pa程度のアルゴンなどの希ガスを封入 したものである．水銀の蒸気圧はガラス管内の最冷部に ブ02 よって制御され，0．8Pa前後のときにランプの光出力が プ0薗3 10−2 10｝’ 1 10 1σ2 プ03 104’oヂr →ρ 最大となるが，これは最冷部温度，約40℃に相当する． 管径がφ20mm以下であるなどの設計上の理由によって， Fig，2 菟（eIectron temperature）and7も（gas temperature） inamercurydischargeasafunction ofpressure［4］ 最冷部温度が高くなり過ぎるランプにおいては，ビスマ スやインジウムなどとの合金であるアマルガムを用いて 水銀の蒸気圧を制御することもある．Fig．2は放電ラン プの封入気体圧力と温度の関係を示したものであるが， 蛍光ランプの発光部である陽光柱は図の左側にあたり， 電子温度は約10，000Kでイオン，中性原子温度は350K ne 程度である．前述のHIDランプは図の右側，すなわち 電子，イオン，中性原子がほぼ同じ温度で動作する放電 ランプである．蛍光ランプは，両端の電極間に加わる電 界によって加速された電子の運動エネルギーが，非弾性 衝突によって水銀原子の励起エネルギーに変換され，そ 0 の共鳴放射準位から発する254nmの紫外線を利用する ものである．Fig，3に放電の管径方向に対する電子密度 ax■S の関係を示す．電子密度は管の中央で最も高く，管壁で r wall は両極性拡散により電子（およびイオン）が消滅するた Fig，3 ηe（electron concentration）distribution as a function め，0次のベッセル関数の形となっている．40W形の of r（dlstance from the axis） 300 小特集 安田 2．蛍光ランプ 高い．ただし，いずれにせよ紫外線を可視光線に変換す る相対値）を下回る時間で定義される有効寿命の二つが るということは，必然的により長い波長の光子に変換す ある．絶対寿命はエミッタがスパッタや蒸発によって消 る際のエネルギー損失が生じることを意味する．そのた 耗し，電極が熱陰極として動作できなくなる時間で，一 め蛍光ランプの陽光柱で加速された電子の運動エネル 般的な点灯条件ではエミッタ塗布量と希ガスの圧力の積 ギーの約60％以上が紫外線に変換されるものの，可視光 に比例［10］する．4節で紹介する無電極蛍光ランプは外 線として得られるエネルギーはそのうちの約40％であ 部からの電磁誘導結合回路で点灯する方式で文字通り電 る．ガラス管内壁と蛍光体膜のあいだにアルミナなどの 極が無いため絶対寿命がなく，光束維持率によってその 金属酸化物による保護膜を形成することもある．これは 寿命が決定される．したがって，長寿命設計が可能なラ 水銀とガラスの反応を抑え，長時間点灯中のランプが黒 ンプである． 化したり水銀が失われるのを防ぐ［81ためにも重要である． ④蛍光ランプの特性上，安定器と呼ばれる回路の役割 ③蛍光ランプの一般的な電極はタングステン線からな も重要である．Fig．5に，商用周波点灯（50または60Hz） るコイルにエミッタと呼ばれるバリウム・カルシウム・ の回路の例を示すが，ランプと直列に鉄心コイルが接続 ストロンチウム酸化物を塗布した熱陰極である．液晶画 されている．これはランプが電圧と電流との間に負特性 面のバックライトなどに使われる蛍光ランブのように管 を持つので，ランプを所定の電流で動作させるために必 径がφ6mm以下のものなどで冷陰極を使う場合がある 要となる．同時に始動時には点灯管のバイメタルの開閉 が，一般照明用では普通使われない．Fig．4に蛍光ラン によって発生するキック電圧で，ランプの絶縁破壊を起 プを直流点灯させた時の軸方向の電位分布を示すが，陰 こさせる役割もある．高周波点灯回路は，電子回路技術 極降下電圧は熱陰極で約IOV，冷陰極で約IOOVである． 電極部での電力損失は発光に寄与しないため，陰極降下 kHzで動作させるものである．その利点は，商用周波 の進歩に伴い急速に普及しつつあり［11］，ランプを数十 電圧の低い熱陰極を用いることの利点は明らかである． 点灯におけるランプのちらつきがなくなることと，発光 熱陰極はまた，蛍光ランプの寿命を決定するという点 効率が向上することである．発光効率向上の主たる理由 でもまた重要である．蛍光ランプの寿命には，ランプが は，高周波点灯ではFig．4に示した陽極降下電圧が消 ’点灯しなくなる絶対寿命とランプの明るさがJIS［9］で 滅することである．陽極降下電圧はそもそもプラズマ空 定められた光束維持率（点灯時間100hの明るさに対す 問中から電極に入る電子数の不足を補うために陽極前面 に加速電界が生じるものであるが，高周波点灯では陰極 琳 。ザ夢野 ．G譜1！ G弗1ノ 1 時の高密度電子群が拡散によって消滅する時間より陽 ノ Noise Capacitor Vp ！！ 11 Glow Starter 11 〆 、 l l l l の o 〉 VA l 卜 l l 6謬壁 l lvl 調・6ら l l “超 Vp l l l l ：Lamp ｝ Vkヲ COlhode Anode Dis曾once Ballast Fig．4 Potential vs．distance［5］ 》k（cathode faII），Vゑ Fig、5 Commercial frequency circuit （anode fall）、∠P（positive column potential droP） 301 プラズマ・核融合学会誌 第72巻第4号 1996年4月 TabIe l Types of fIuorescent Iamp LampWattage type L．igわtOutput rLampLength Tubedia． Lamp name Straight FL40S・EX−N Circle FCL30EX−N／28 Compact FDL27EX−L Self baIlasted EFD23EX−L 35601m 40W 28W 27W 23W 21001m 可5501m 15501m 33mm 29mm 17mm 12mm 1200mm 唾34mm 193mm double−U bulb arc length 44 cm inner dia． 10 mm globe H9−Ar bulb plastic case c a s e E26 base electronic circuit E26 base （b）EFGl5 （a）EFD23 Fig、6 Toshiba eIectroRic compact fluorescent Iamp 極・陰極の反転サイクルが短くなるのでこの加速電界が するため高効率なランプである．EFD23は，定格消費 不要になるのである． 電力（回路損失も含む）23Wで15501m （三波長形電 球色タイプ）の明るさであり，100W形白熱電球の約4 3．蛍光ランプの種類 倍の効率である．この効率の違いそのものはランプの発 Table1に代表的な蛍光ランプの種類を示す．電球形 光原理が異なるので驚くには当たらない．しかし，光源 蛍光ランプを除き，形状寸法，ランプの特性，口金の種 の高効率化は自然環境保護の観点からも今後ますます重 類などがJISによって定められており，メーカー各社間 要になると考えられる．というのは照明産業からの自然 の互換性が保たれている．普通，蛍光ランプは器具に内 環境に対する公害の中では，点灯中のランプ電力をおこ 蔵された回路によって点灯されるが，電球形蛍光ランプ すために発電所で発生する公害物（水銀，NOx，SO2な は発光管と回路が一体構造となっており，そのまま通常 ど）が最も大きな割合を占める口4］からである．電球形 の電球ソケットに装着して点灯することができる．Fig。 蛍光ランプの普及を妨げる最大の要因は，ランプ単価が 6（a）に100W形白熱電球代替用に開発された電球形蛍 白熱電球と比べ高いことと思われるが，Fig．7に示すよ 光ランプ：EFD23［12］の構造を，Fig．6（b）に60w形 うに電力費も含めて考えると安価であり，ランプの寿命 電球代替の拡散グローブを有するタイプのEFGl5［13］ が白熱電球の6倍という利点もあり一般消費者の立場か の構造を示す．どちらも内蔵電子回路により高周波点灯 らもメリットは大きい． 302 安田 2．蛍光ランプ 小特集 based on ￥24／（kW・h） EFD23 tot a ！ ￥631 2 Life 6000h Lamp￥3000 Energy￥3312 lnca ndescen t100W−type999999 Sav ing ￥85081 ￥14820 tota Ene rgy， ￥1 3680 0 1，000 3，000 5，000 2，000 4，000 6，000 Lamp，￥1140 （190×6pcs、） Fig．7 Energy saving cost of EFD23 小谷らはアルゴン133Pa封入し，13．65MHzで動作す る無電極蛍光ランプの始動性の改善について述べている ［19］．放電ランプが始動する条件として絶縁破壊のきっ かけを作る初期電子が必要であるが，ランプを一定時間 以上消灯したのち暗黒中で始動すると，初期電子の数が ＼￥＼ 不足し始動が遅れることが知られている［20］．一般の蛍’ 光ランプでは，アークスポットを形成するために陰極を ost most ’ 800℃位に加熱するので十分な熱電子供給があり，この ／ 始動遅れの問題は発生しない．彼らは，セシウム酸化物 tive を塗布した金属メッシュをランプ内に置くことで，始動 zone ne ／ rrite ！ core primary 時問が標準ランプの1／100に短くなると述尽ており，そ coil の理由としてセシウム酸化物は仕事関数が低いので室温 でも熱電子が取りだせるものと考えている． Fig．8 Ph蒔ips QL Lamp with its most important・ Wharmbyらは，100W反射形電球代替の無電極蛍光 components［17］ ランプについて，特性，構造，動作，放射ノイズなどの 4．無電極蛍光ランプと可変色蛍光ランプ 全般にわたって解説している［21］．このランプは定格で 無電極放電ランプについての基本原理と技術動向はレ 23W，llOO lmの明るさであり，3節に示した電球形蛍 ビュー［15，16］などにまとめられているが，ここでは無 光ランプ：EFD23より効率は低い． 電極蛍光ランプ（水銀と希ガスの低圧放電ランプ）につ 可変色の照明としては，RGB単色ランプを同一器具 いてLS7で発表された課題のいくつかを紹介する．Fig． 内に配置しその各々の光出力を制御する方式がある［22］ 8はフィリッフ。ス社の無電極蛍光ランプであるが， が，ここでいう可変色蛍光ランプとは一つのランプの発 Jonkersらは2．65MHzで動作するランプのプラズマ状 光色を点灯条件によって変えるものである．青野らは， 態を測定し，シミュレーションモデル計算値と比較して パルス条件によって水銀と200Paのキセノン混合気体 いる［17，18］．水銀，アルゴン混合の62W入力条件の計 放電の励起原子密度の割合を変えることで可変色を達成 算結果では測定結果と同じく一次コイルを中心に活性領 している［23］．その方法はパルス幅と周波数を変えるこ 域があり，電子密度はmax2。5×1019mβとしている． とであり，両者を小さくすると電子温度が上昇し，より 当日はアルゴン原子や電子の温度分布についても発表し 高準位のキセノンの励起が増える．ランプには水銀から ていたが，計算と測定結果の定量的一致のためには計算 の紫外線によってオレンジ色に発光するブレンド蛍光体 モデルの改良が必要と述べている． とキセノンによる青色の蛍光体を塗布しているため，パ 303 プラズマ・核融合学会誌 第72巻第4号 1996年4月 ルス条件によってランプの色はその間で変わる．パルス 参考文献 周波数を10kHzから2kHzに下げることで，ランプの 相関色温度は約4000Kから10000Kに変えられること ［1］河本康太郎他：照明学会誌72，231（1988）． が示されている．課題としては，水銀によって励起する ノ功りα刀α995ナ． ［2］P7・・．げLSZlll％〃z伽惣伽92膨吻g玩3伽蜘∫ ［3］T．Yasu（laεれzl．，P706．ρノZ｝S71No．5（1995）． 蛍光体はキセノンによっても励起し，その逆もあるため， ［4］W』Elenbaas，L乞gh置So％7cεs，Macmillan London 色の変化幅が狭まることと，低周波の狭いパルス幅では （1972）． 発光強度が弱いことを挙げている． ［5］」．E Waymouth，El60ケ乞o Z）ぎsohα㎎6五翻ρs，Cam． 谷水らは，可変色の方法を2つ挙げているが，そのう bridge MIT Press（1971エ ち蛍光体の光減衰特性を利用することでランプの相関色 ［6］C．Meyer6短ム，Z）富oh召㎎6加挽ヵ3，Kluwer Technic． 温度を3110Kから6280Kに変えられると述べている al Books（1988）． ［7］J．M．P．J．Verstengen6加乙，Joumal of IES，4，90 ［24／．ランプは水銀とアルゴンをパルス放電させるもの （1975）． で，RGBの蛍光体が使われている．ここでは，水銀原 ［81H．Tomioka6如乙，P706．oゾ五S71No．103（1995）． 子からの青色の可視輝線（436nm）と青色蛍光体の光減衰 ［9］日本規格協会：JIS C7601，蛍光ランプ（一般照明用）． がμsオーダであるのに対し，Mn2＋を付活した赤色蛍 ［10］E J．Covington，Journal of IES，66，159（1971）． 光体の光減衰が30∼50msと遅いことを利用しており， ［！1］浦山 隆他：照明学会誌77，222（1993）． 緑色蛍光体は色温度変化に対し役割が小さいとしてい ［12］筏 邦彦他：平成6年度照明学会全国大会，No．10． ［13］西尾清志他：平成7年度照明学会全国大会，No．8。 る．パルスのデューティ比を3。1∼50％に変えることで ［14］H．P。Stormberg，P706．げLS71No．105（1995）． 前述の色温度変化が得られている． ［15］D．0．Wharmby，Pプoo．げLS5，No．36（1989）． ［16］東方 眞他：照明学会誌77，238（1993）． 5．おわりに ［17］J。Jonkers伽ム，P700．げ五SZNo．3（1995工 蛍光ランプの一般的な特性とLS7で発表された最近 ［18］D．A．Benoy6砲ム，P706．o∫五SZ No．66（1995エ の研究課題を説明してきたが，より詳しい内容について ［19］M．Kotani6如乙，P700．6ゾ五S名No．11（1995）． ［20］井上昭浩他：平成元年照明学会全国大会，No．9． は，なるべく多くの参考文献を載せたつもりなので，そ ［21］D．0．Wharmby6如乙，Pプoo．oゾ五3Z No．2（1995エ ちらを参照されたい．筆者の力不足による拙い説明でど ［22］竹内啓泰他1平成4年度照明学会全国大会，No．9． れほどご理解頂けたか不安であるが，読者方々にとって ［23］M．Aonoε地ム，P700．げLSZ No．20（1995）． 少しでも蛍光ランプが興味深く感じられるとしたら幸い ［24］S．Tanimizu6雄ム，P700．6ゾLS71No．21（1995）． である． 304
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