CN104520969A - 等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器 - Google Patents

等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器 Download PDF

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Abstract

提供一种实现了发光效率的改善以及基于此的总光通量的提高的等离子体发光装置。等离子体发光装置(1)具有：电磁波产生器(2)；波导管(4)，传送从电磁波产生器(2)放射的电磁波；天线(5)，接收在波导管(4)内传送的电磁波；电磁波聚束器(6)，从天线(5)被照射电磁波；以及无电极阀门(7)，配置于电磁波聚束器(6)内，通过用电磁波来激发填充在无电极阀门(7)内的发光物质而进行等离子体发光，其中，电磁波产生器(2)具备阴极部和阳极部，通过700W以下的输入功率产生的电磁波的最大输出效率是70％以上。

Description

等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器
技术领域
本发明的实施方式涉及等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器。
背景技术
以往，在仓库等的高顶棚上设置的照明器具、道路照明等要求高输出的照明装置中，主要使用了高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等高亮度放电灯(High Intensity Discharge lamp：HID)。随着对节能的要求变强，针对照明装置也要求节能化。即使在HID中，虽然在具备由透光性陶瓷构成的发光管的金属卤化物灯(陶瓷金属卤化物灯)等中通过高效化促进节能化，但还不够。陶瓷金属卤化物灯与其他HID同样地，其亮度随着时间而变差，不能说具有足够的寿命。因此，存在设置为本、维护成本变高这样的缺点。
作为寿命长且节能的照明装置，LED照明得到了瞩目。在LED照明中，将发光二极管(LED)用作发光源、荧光体的激发源。因此，LED照明具有功耗少、且寿命也长达几万小时至10万小时程度这样的特征。但是，LED照明虽然一般广泛应用于低输出的照明装置，但不适合于要求高输出的照明装置。即，如果使LED照明成为高输出，则能量变换效率变差，发热量增大，所以寿命显著变短。在用作高顶棚用的照明装置的情况下，配光照度也不足。
已知与使用了HID、LED等的照明装置不同地，对在无电极阀门内填充了的发光物质利用微波来激发而使其进行等离子体发光的等离子体照明装置。等离子体照明装置具有例如微波产生器、引导由微波产生器产生的微波的微波聚束器、以及设置在微波聚束器内的无电极阀门。在无电极阀门内填充了的发光物质通过利用微波聚束器聚束于无电极阀门的微波而被激发，从而进行等离子体发光。关于无电极的等离子体照明，由于以无物理上的接触的方式使阀门内的发光物质活性化因此寿命长，除此以外还是点光源，所以是适合于配光设计的照明装置。但是，以往的等离子体照明装置具有针对输入功率的发光效率不充分这样的缺点，因此期望发光效率的改善、和基于此的总光通量的提高。
专利文献1：日本特表2004-505429号公报
专利文献2：日本特开2005-085749号公报
专利文献3：日本特表2010-527129号公报
发明内容
本发明想要解决的课题在于，提供一种实现了发光效率的改善以及基于此的总光通量的提高的等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器。
实施方式的等离子体发光装置具备：电磁波产生器；电源部，对电磁波产生器供给电力；波导管，传送从电磁波产生器放射的电磁波；天线，接收在波导管内传送的电磁波；电磁波聚束器，从天线被照射电磁波；以及发光部，具有配置于电磁波聚束器内并且填充了发光物质的无电极阀门，通过电磁波聚束器使电磁波聚束到电极阀门，从而激发发光物质而进行等离子体发光。电磁波产生器具备阴极部以及包围阴极部的阳极部，通过700W以下的输入功率而产生的电磁波的最大输出效率是70％以上。
附图说明
图1是示出第1实施方式的等离子体发光装置的概要结构的图。
图2是示出图1所示的等离子体发光装置中的电磁波产生器以及电源部的结构的图。
图3是示出第1实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的阳极电流和输出效率的关系的图。
图4是示出第1实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的输入功率和输出效率的关系的图。
图5是示出第1实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的阳极电流和动作电压的关系的图。
图6是示出第1实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的输入功率和输出功率的关系的图。
图7是示出第1实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的阳极电流和振荡频率的关系的图。
图8是示出第1实施方式的第1等离子体发光装置(输入400W)中的电磁波产生器的输出效率和灯总光通量的关系的图。
图9是示出第1实施方式的第1等离子体发光装置(输入400W)中的发光部效率和灯总光通量的关系的图。
图10是示出第1实施方式的第1等离子体发光装置(输入400W)的调光时的输入功率和灯总光通量的关系的图。
图11是示出第1实施方式的第1等离子体发光装置(输入400W)的调光时的输入功率和灯发光效率的关系的图。
图12是示出第1实施方式的第1等离子体发光装置(输入400W)的调光时的输入功率和灯总光通量的降低率的关系的图。
图13是示出第1实施方式的第2等离子体发光装置(输入700W)中的电磁波产生器的输出效率和灯总光通量的关系的图。
图14是示出第1实施方式的第2等离子体发光装置(输入700W)中的发光部效率和灯总光通量的关系的图。
图15是示出第1实施方式的第2等离子体发光装置(输入700W)的调光时的输入功率和灯总光通量的关系的图。
图16是示出第1实施方式的第2等离子体发光装置(输入700W)的调光时的输入功率和灯发光效率的关系的图。
图17是示出第1实施方式的第2等离子体发光装置(输入700W)的调光时的输入功率和灯总光通量的降低率的关系的图。
图18是将第1实施方式的等离子体发光装置的光通量维持率与以往的照明装置比较而示出的图。
图19是示出第1实施方式中的电磁波产生器的结构例的剖面图。
图20是示出图19所示的电磁波产生器的阳极部以及阴极部的俯视图。
图21是图19所示的电磁波产生器的阳极部的概念图。
图22是示出第1实施方式中的电磁波产生器的动作电压和电子效率的关系的图。
图23是示出第1实施方式中的电磁波产生器的动作电压和磁通密度的关系的图。
图24是示出第2实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的输入功率和输出效率的关系的图。
图25是示出第2实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的阳极电流和输出效率的关系的图。
图26是示出第2实施方式的等离子体发光装置的输入功率和总光通量的关系的图。
图27是示出第2实施方式的等离子体发光装置的输入功率和发光效率(灯效率)的关系的图。
图28是示出第3实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的输入功率和输出效率的关系的图。
图29是示出第3实施方式的等离子体发光装置中的电磁波产生器的阳极电流和输出效率的关系的图。
图30是示出第3实施方式的等离子体发光装置的输入功率和总光通量的关系的图。
图31是示出第3实施方式的等离子体发光装置的输入功率和发光效率(灯效率)的关系的图。
图32是示出第3实施方式中的电磁波产生器的阳极部以及阴极部的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明实施方式的等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器。
(第1实施方式)
图1是示出等离子体发光装置的概要结构的图。图1所示的等离子体发光装置1具备：电磁波产生器2；电源部3，对电磁波产生器2供给电力；波导管4，传送从电磁波产生器2放射的电磁波；天线5，接收在波导管4内传送的电磁波；电磁波聚束器6，从天线5被照射电磁波；以及发光部，具有设置于电磁波聚束器6内的无电极阀门7。在无电极阀门7中填充了发光物质。电磁波通过电磁波聚束器6被聚束到无电极阀门7，由此在无电极阀门7内填充了的发光物质被激发而进行等离子体发光。
叙述第1实施方式的等离子体发光装置1的结构。电磁波产生器2如图2所示，具备阴极部(负极)11和阳极部(正极)12。阴极部11以及阳极部12作为产生高频的电磁波(以下记载为微波)的振荡部而发挥功能。产生的微波的频率优选为由国际电气通信协会(International Telecommunication Union：ITU)对不会受到利用电波法的放射容许值的限制的工业/科学/医疗用频带即ISM(Industrial，Scientific and Medical：工业、科学和医疗)带进行分配的2450±50MHz。
例如，在其附近的作为ISM带的915±15MHz带中，谐振波长变长(2450MHz的谐振波长是12cm，相对于此，915MHz的谐振波长是33cm)，所以电磁波聚束器、无电极阀门变得大型化。另外，该频带的使用认可仅限于南北美洲地域。而且，关于5800±75MHz带，谐振波长变短(5800MHz的谐振波长是5cm)，所以虽然能够使电磁波聚束器、无电极阀门小型化，但相反存在无电极阀门的发光量变少等缺点。利用2450±50MHz带，能够同时实现电磁波聚束器6、无电极阀门7的小型化和无电极阀门7的发光量。
阳极部12被配置成包围阴极部11。电源部3具备主电源13、电源供给/控制电路14、阴极电源15、阳极电源16等。从这样的电源部3对阴极部11以及阳极部12供给电力。在阳极部12的管轴方向上，从励磁电路17施加了磁场。关于电磁波产生器2的具体的结构，在后面详述。
如果利用加热器对阴极部11进行加热，并且对阳极部12施加正的电压，则从阴极部11朝向阳极部12放出电子。从阴极部11放出的电子由于阴极部11与阳极部12之间的电场、以及在阳极部12的管轴方向上施加了的磁场，在阴极部11与阳极部12之间的空间中轨道被弯曲而进行环绕运动。环绕电子成为热电子流，由于谐振器的高频电场而聚群来形成辐条状的电子极并进行同步旋转。由此，产生微波。从电磁波产生器2的输出部18放射所产生的微波。
电磁波产生器2的输出部18配置于波导管4的内部。从电磁波产生器2的输出部18向波导管4内放射微波。从输出部18放射了的微波在波导管4内传送。在波导管4内，配置有接收所传送的微波的天线5的输入端5a。天线5被设置成如下：输入端5a配置于波导管4的内部，并且输出端5b与电磁波聚束器6连接。从输出端5b向电磁波聚束器6照射由天线5的输入端5a接收到的微波。在电磁波聚束器6内，设置有填充了发光物质的无电极阀门7。
无电极阀门7由例如中空构造的石英玻璃管、透光性陶瓷管等构成。在无电极阀门7中应用陶瓷管的情况下，作为其构成材料，例示氧化铝、氮化铝、钇铝复合氧化物(YAG)、镁铝复合氧化物(尖晶石)、氧化钇等烧结体、单结晶体。作为在无电极阀门7内填充的发光物质，可以举出溴化铟(InBr3等)、碘化镓(GaI3等)、碘化锶(SrI2等)等金属卤化物、或者硫磺(S)、硒(Se)、包含它们的化合物等。将发光物质与从氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等中选择的至少1种的稀有气体一起封入到无电极阀门7内。
作为电磁波聚束器6，已知空洞谐振器型、电介体谐振器型。在它们之中，优选使用电介体谐振器型的电磁波聚束器6。通过使用电介体谐振器型的电磁波聚束器6，向电磁波聚束器6照射了的微波的能量密度提高，所以具有无电极阀门7的发光部所引起的等离子体发光的稳定性提高，能够进一步提高发光输出、发光效率等。另外，能够提高在无电极阀门7的发光时产生的热的散热性。
电介体谐振器型的电磁波聚束器6具备由高介电物质构成的聚束器主体61。电介体谐振器型电磁波聚束器6的聚束器主体61优选由介电常数为2以上的固体或者液体的高介电物质构成。作为固体状的高介电物质，例示氧化铝、氧化锆、氮化铝、钛酸钡、钛酸锶等钛酸盐、锆酸锶等锆酸盐、以及以这些复合化合物为主成分的陶瓷材料(烧结体、单结晶体)。
在使用电介体谐振器型电磁波聚束器6的情况下，封入了发光物质、稀有气体等的无电极阀门7设置于由高介电物质构成的聚束器主体61内。例如，用固体状的高介电物质形成具有规定的尺寸的长方体状的聚束器主体61。在聚束器主体61的1个面设置空洞部62，在该空洞部62内设置无电极阀门7。天线5的输出端5b设置于聚束器主体61的其他面、例如与设置了空洞部62的面相对的面。根据微波的谐振频率等，来设定无电极阀门7和天线5的输出端5b的设置位置。聚束器主体61的除了无电极阀门7以及空洞部62的设置部分以外的外表面也可以用反射微波的金属覆膜等来覆盖。由此，微波的能量密度提高。
从天线5的输出端5b向电磁波聚束器6照射了的微波在由例如高介电物质构成的聚束器主体61内谐振，聚束到根据微波的谐振频率等而设置了的无电极阀门7。通过聚束到无电极阀门7的微波的能量，填充在无电极阀门7内的稀有气体进行电离而产生等离子体。金属卤化物等发光物质通过所产生的等离子体而被激发，由此发光(等离子体发光)。等离子体发光是在不具有电极的阀门(无电极阀门7)内产生的现象，所以能够提供无物理上的接触劣化、且寿命长的发光装置。
但是，在以往的等离子体照明装置中，未必如上所述得到充分的发光效率、总光通量等。关于其原因，虽然长久以来许多研究人员反复进行了实验以及研究，但未能查明原因。在这样的状况下，本申请发明人进行了潜心研究的结果，发现在以往的等离子体照明装置中，作为微波的供给源的微波产生器不具有充分的输出效率，因此，针对输入功率的等离子体发光装置的发光效率变得不充分。
例如，针对每1W的输入功率具有100流明的发光效率的、400W级别的高亮度放电灯(HID)的总光通量是4万流明程度。在以往的等离子体照明装置中，为了得到与这样的HID同等的总光通量，需要输出效率相对输入功率400W是100％的微波产生器、和能够将微波变换为每1W为100流明的光的具有无电极阀门的发光部。但是，以往的微波产生器的针对400W的输入功率的输出效率是65％程度，所以总光通量成为26000流明以下，等离子体照明装置的发光效率也仅是针对每1W的输入功率为65流明以下。因此，可知未充分地发挥发光部的性能。另外，在照明装置中，为了得到4万流明的总光通量，需要提高向微波产生器的输入功率，输出400W的输出。在微波产生器的输出效率是65％的情况下，向微波产生器的输入功率需要600W以上。
另外，针对每1W的输入功率具有100流明的发光效率的、700W级别的HID的总光通量是约7万流明(照明装置中的灯总光通量是56000流明程度)。在以往的等离子体照明装置中，为了得到与这样的HID同等的总光通量，对于具有变换为针对每1W的微波是100流明的光的发光部的700W级别的等离子体照明装置，估计需要输出效率是80％的微波产生器。但是，以往的微波产生器中的相对700W的输入功率的输出效率小于70％，所以具有变换为针对每1W的微波是100流明的光的发光部的等离子体照明装置的灯总光通量成为49000流明以下。等离子体照明装置的发光效率也仅为针对每1W的输入功率是70流明以下。因此，可知未充分地发挥发光部的性能。另外，在照明装置中，为了得到56000流明的总光通量，在微波产生器的输出效率小于70％的情况下，输入功率需要约810W。
这样，在以往的等离子体照明装置中，为了得到与HID相同的程度的总光通量，需要提高输入功率，无法实现节能化。其原因如上所述在于以往的微波产生器的输出效率。即，发现以往的微波产生器超过700W而通过1000W以下或者其以上的输入功率来产生高输出，但相对700W以下的输入功率，输出不充分，这成为使以往的等离子体照明装置的总光通量、发光效率降低的原因。而且，还发现了在150～700W的范围内使输入功率变化了时的微波产生器的输出变动大，由此对等离子体照明装置进行了调光时的发光效率降低。
在本申请发明中，通过研究微波产生器的相对700W以下的输入功率的输出效率的提高的本质，能够使等离子体照明装置的发光效率、总光通量提高。即，本申请发明的等离子体发光装置1具备相对700W以下的输入功率的微波(电磁波)的最大输出效率是70％以上的电磁波产生器2。根据相对700W以下的输入功率的微波的最大输出效率是70％以上的电磁波产生器2，能够使具有无电极阀门7的发光部高效地发光。因此，能够提高等离子体发光装置1的总光通量、发光效率。在使相对700W以下的输入功率的微波的最大输出效率提高时，有利于提高在低电流区域中产生的微波的最大输出效率。具体而言，电磁波产生器2的200mA以下的阳极电流区域中的微波的最大输出效率优选为70％以上。由此，能够提供在700W以下的输入功率下明亮度、节能性等优良的等离子体发光装置1。
如上所述，在第1实施方式的电磁波产生器2中，通过700W以下的输入功率而产生的微波的最大输出效率是70％以上，而且在200mA以下的阳极电流区域中产生的微波的最大输出效率是70％以上。输入功率的下限值并没有特别限定，微波优选为在150W以上且700W以下的范围内呈现最大输出效率。同样地，微波优选为在50mA以上且200mA以下的范围内呈现最大输出效率。另外，在构成400W级别的等离子体发光装置1的情况下，由电磁波产生器2产生的微波优选为在150W以上且500W以下的范围内呈现最大输出效率。
另外，通过使用以700W以下的输入功率所产生的微波的最大输出效率是70％以上的电磁波产生器2，能够提高节能性优良的等离子体发光装置1的发光效率、总光通量。另外，通过针对700W以下的输入功率在200mA以下的阳极电流区域中产生微波，能够提高相对700W以下的输入功率的微波的最大输出效率。因此，能够再现性良好地提供输入功率是700W以下、且节能性、发光效率、总光通量等优良的等离子体发光装置1。微波的最大输出效率优选为在上述输入功率区域以及阳极电流区域中是75％以上，由此能够进一步提高发光效率、总光通量。
电磁波产生器2中的微波(电磁波)的输出效率[单位：％]是根据动作电压(阳极电压)Eb[单位：kV]、阳极电流Ib[单位：mA]、以及输出功率Po[单位：W]，依据下述的式(1)求出的值。
输出效率[％]＝输出/(动作电压×阳极电流)×100…(1)
针对电磁波产生器2的输入功率是根据下述的式(2)求出的值。
输入功率[W]＝动作电压[kV]×阳极电流[mA]…(2)
微波的最大输出效率表示700W以下的输入功率下的输出效率的最大值、或者200mA以下的阳极电流下的输出效率的最大值。
表1以及图3～7示出实施例1的电磁波产生器2的输入功率、阳极电流、动作电压(阳极电压)、输出功率、微波的输出效率、以及振荡频率的一个例子。可知在实施例1的电磁波产生器2中，相对700W以下的输入功率的最大输出效率、以及200mA以下的阳极电流区域(低电流区域)中的最大输出效率是70％以上(具体而言是76.3％)(参照表1、图3～4)。而且，可知在实施例1的电磁波产生器2中，针对150～700W的范围的输入功率以及50～200mA的范围的阳极电流，输出效率的变动小(参照表1、图3～4)。可知在实施例1的电磁波产生器2中，相对700W以下的输入功率，确保3.5～3.7kV程度的动作电压(参照表1、图5)。
[表1]
在表1以及图3～7中，作为比较例1，一并示出700W以下的输入功率以及200mA以下的阳极电流下的最大输出效率小于70％的电磁波产生器。在比较例1的电磁波产生器中，低电流区域中的最大输出效率小于70％(具体而言是69.5％)，而且相对于150～700W的范围的输入功率以及50～200mA的范围的阳极电流，输出效率的变动大，根据输入功率以及阳极电流而降低至60％以下。因此，实施例1的电磁波产生器2相比于比较例1的电磁波产生器，输出特性更优良(参照表1、图6)。
接下来，说明电磁波产生器2的输出效率和使用了其的等离子体发光装置1的特性的关系。首先，根据表2以及图8～12，叙述输入功率是400W级别的等离子体发光装置(实施例1A)的特性。图8示出实施例1的电磁波产生器的输出效率和使用了其的400W级别的等离子体发光装置(实施例1A)的总光通量的关系。在图8中，根据发光部效率(灯发光效率)，示出电磁波产生器的输出效率和等离子体发光装置的总光通量的关系。在图9中，针对使用了输出效率是75％的电磁波产生器2的等离子体发光装置(实施例1A-1)、使用了输出效率是70％的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例1A-2)、以及使用了输出效率是65％的电磁波产生器的等离子体发光装置(比较例1A)，示出等离子体发光装置的发光部效率和总光通量的关系。如从图8以及图9可知，通过使用低功率区域以及低电流区域中的最大输出效率是70％以上的电磁波产生器2，能够提高400W级别的等离子体发光装置1的总光通量。
关于实施例1的电磁波产生器2，不仅低功率区域以及低电流区域中的最大输出效率优良，而且相对于150～700W的范围的输入功率以及50～200mA的范围的阳极电流，输出效率的变动幅度小(参照表1、图3～4)。具体而言，在实施例1的电磁波产生器2中，相对150～700W的范围的输入功率以及50～200mA的范围的阳极电流的输出效率的变动率是15％以下(具体而言是7.6％)。此处，电磁波产生器2的输出效率的变动率是利用相对150～700W的范围的输入功率以及50～200mA的范围的阳极电流的输出效率的最大值和最小值，依据下述的式(3)而求出的值。
输出效率的变动率[％]＝(最大值-最小值)/最大值×100…(3)
表2以及图10～12示出使输入功率在150～400W的范围内变化了时的灯总光通量(图10)、灯发光效率(图11)、以及总光通量的降低率(图12)的测定结果。这些图相当于使向等离子体发光装置1输入的输入功率变化而进行了调光时的灯总光通量、灯发光效率等。在图10～12中，一并示出使用了比较例1的电磁波产生器的等离子体发光装置(比较例1A)和400W级别的金属卤化物灯(比较例2A)的调光时的总光通量、发光效率、总光通量的降低率的测定结果。使用调光稳定器实施了金属卤化物灯(比较例2A)的调光。
[表2]
如表2以及图10～12所示，根据相对150～700W的范围的输入功率的输出效率的变动率是15％以下的电磁波产生器2，即使在为了对例如等离子体发光装置1的明亮度进行调整(调光)而使输入功率变化了的情况下，发光部的发光效率仍被维持。即，关于使用了实施例1的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例1A)，不仅总光通量优良，而且调光时的发光效率也优良。因此，能够抑制调光时的与发光效率的降低相伴的功耗的增大等。而且，相对400W至150W的输入功率的输出效率的变动幅度小，所以能够针对全亮时(100％)将调光幅度扩大至约30％。在金属卤化物灯的情况下，即使使用调光器，调光幅度相对全亮时(100％)也只不过为60％程度。
接下来，根据表3以及图13～17，叙述输入功率是700W级别的等离子体发光装置(实施例1B)的特性。图13示出实施例1的电磁波产生器的输出效率和使用了其的700W级别的等离子体发光装置(实施例1B)的总光通量的关系。在图13中，根据发光部效率(灯发光效率)，示出电磁波产生器的输出效率和等离子体发光装置的灯总光通量的关系。在图14中，针对使用了输出效率是75％的电磁波产生器1的等离子体发光装置(实施例1B-1)、使用了输出效率是70％的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例1B-2)、以及使用了输出效率是65％的电磁波产生器的等离子体发光装置(比较例1B)，示出等离子体发光装置的发光部效率和灯总光通量的关系。如从图13以及图14可知，通过使用低功率区域以及低电流区域中的最大输出效率是70％以上的电磁波产生器2，能够提高700W级别的等离子体发光装置1的总光通量。
关于实施例的电磁波产生器2，不仅如上所述低功率区域以及低电流区域中的最大输出效率优良，而且相对150～700W的范围的输入功率以及50～200mA的范围的阳极电流，输出效率的变动幅度也小，具体而言是15％以下(具体而言7.6％)。表3以及图15～17示出使输入功率在150～700W的范围内变化了时的灯总光通量(图15)、灯发光效率(图16)、总光通量的降低率(图17)的测定结果。这些图相当于使向等离子体发光装置1的输入功率变化而进行了调光时的总光通量、发光效率等。在图15～17中，一并示出使用了比较例1的电磁波产生器的等离子体发光装置(比较例1B)和700W级别的金属卤化物灯(比较例2B)的调光时的总光通量、发光效率、总光通量的降低率的测定结果。使用调光稳定器，实施了金属卤化物灯的调光。
[表3]
如表3以及图15～17所示，根据相对150～700W的范围的输入功率的输出效率的变动率是15％以下的电磁波产生器2，即使在为了对例如等离子体发光装置1的明亮度进行调整(调光)而使输入功率变化了的情况下，发光部的发光效率仍被维持。即，关于使用了实施例1的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例1B)，不仅总光通量优良，而且调光时的发光效率也优良。因此，能够抑制调光时的与发光效率的降低相伴的功耗的增大等。而且，相对700W至150W的输入功率的输出效率的变动幅度小，所以能够针对全亮时(100％)将调光幅度扩大至约30％。在700W级别的金属卤化物灯的情况下，即使使用调光器，调光幅度针对全亮时也只不过是50％程度。
如上所述，通过应用相对700W以下的输入功率的最大输出效率是70％以上的电磁波产生器2，能够提高例如400W级别、700W级别的等离子体发光装置1的总光通量。而且，在输入功率小于400W的等离子体发光装置1中也是同样的。另外，通过针对700W以下的输入功率在200mA以下的阳极电流区域中产生电磁波，能够提高电磁波的最大输出效率。因此，能够提高将输入功率设为700W以下的等离子体发光装置1的总光通量。另外，根据相对150～700W的范围的输入功率的输出效率的变动率是15％以下的电磁波产生器2，能够高效地实施等离子体发光装置1的调光，能够进一步扩大调光幅度。
第1实施方式的等离子体发光装置1适合于与高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等HID同样地在仓库等的高顶棚上设置的照明器具、道路照明等要求高输出的照明装置。而且，能够以150～700W的范围的输入功率来维持发光效率并且进行调光，所以使用了节能性比HID更优良并且具有无电极阀门7的发光部，所以寿命特性优良。因此，实施方式的等离子体发光装置1是实现了因能量效率的提高所致的功耗降低和因寿命变长所致的装置成本、维护成本的降低的、能够极其有效地用作节能的照明装置的装置。实施方式的等离子体发光装置1针对输入功率是700W以下的照明装置有效，但还能够用作例如输入功率是800W程度的照明装置(输入功率超过700W且800W以下程度的照明装置)。而且，实施方式的等离子体发光装置1不限于照明装置，还能够应用于投影仪的光源等。
表4以及图18示出第1实施方式的等离子体发光装置(实施例1A)、金属卤化物灯(比较例1A)、以及LED(比较例3A)的通过加速试验得到的经时的光通量维持率的测定结果。如表4以及图18所示，实施方式的等离子体发光装置(实施例1A)相比于金属卤化物灯(比较例1A)，光通量维持率更优良。如果比较等离子体发光装置、金属卤化物灯、以及LED的光通量维持率，则可知实施方式的等离子体发光装置(实施例1A)相比于金属卤化物灯(比较例1A)、LED(比较例3A)，10000小时后的光通量维持率更优良，而且20000小时后的光通量维持率，等离子体发光装置(实施例1A)也是超出的。
[表4]
接下来，参照图19～21，说明在第1实施方式的等离子体发光装置1中使用的电磁波产生器2的具体的结构。在电磁波产生器2中，作为振荡部主体，具备阴极部(负极部)11和阳极部(正极部)12。阳极部12具有阳极圆筒21、和从阳极圆筒21的内壁朝向管轴呈放射状地等间隔地配置了的多张阳极谐振板22。阳极谐振板22的外侧端部固定于阳极圆筒21的内壁，内侧端部成为自由端。阴极部11具有在阳极圆筒21的内侧沿着管轴配置了的、例如螺旋状的灯丝23。灯丝23与阳极谐振板22的自由端隔开间隔而被配置在形成空洞谐振器的电子作用空间内。
在阳极谐振板22的上边(输出部侧)以及下边(输入部侧)，交替地连接了一对第1耦合环24a、24b、和位于第1耦合环24a、24b的外侧且直径大于第1耦合环的一对第2耦合环25a、25b。例如，关于阳极谐振板22的上边，从第1个阳极谐振板22数起第奇数个的阳极谐振板22彼此通过第1耦合环24a连接，第偶数个的阳极谐振板22彼此通过第2耦合环25a连接。关于阳极谐振板22的下边，相反地，第奇数个的阳极谐振板22彼此通过第2耦合环25b连接，第偶数个的阳极谐振板22彼此通过第1耦合环24b连接。
在阳极圆筒21的管轴方向的两端部，相对地设置了一对聚磁板26a、26b。聚磁板26a、26b分别具有漏斗状的形状，在中央设置了贯通孔。聚磁板26a、26b的贯通孔的中心位于阳极圆筒21的管轴上。在聚磁板26a的上方以及聚磁板26b的下方，分别配置了环状的永久磁铁27a、27b。永久磁铁27a、27b由磁轭28包围。聚磁板26a、26b、永久磁铁27a、27b以及磁轭28构成了在阳极圆筒21的管轴方向上产生磁场的励磁电路17。
在聚磁板26b的管轴方向的下方，设置了供给灯丝施加电力以及动作电压的输入部29。在聚磁板26a的管轴方向的上方，设置了从天线引线30放射微波的输出部18。天线引线30从1个阳极谐振板22导出。通过在由阳极谐振板22形成的空洞谐振器的作用空间内产生的电场、由励磁电路17在管轴方向上产生了的磁场、和从输入部29供给的灯丝施加电力以及动作电压，从灯丝23放出了的热电子在作用空间内进行环绕运动，从而使微波振荡。经由天线引线33从输出部18放射微波。
此处，作为振荡部主体具备阴极部11和阳极部12的电磁波产生器2是通过在管轴方向上赋予同轴圆筒电极间的电流的磁场来进行控制而振荡的一种二极管。如果对同轴圆筒的二极管施加了阳极电压，则从阴极放出了的电子笔直地到达阳极。如果与阳极/阴极轴平行地施加磁场，则电子承受与运动方向及磁场方向成直角的力而绘出弯曲的轨迹。如果磁场进一步变强，则掠过阳极面而再次朝向阳极。将此时的磁场的磁通密度称为临界磁通密度。这个现象在将磁场设为恒定而减小阳极电压的情况下也是同样的，如果阳极电压变低，则电子不会到达阳极。将其界限电压称为截止电压。如果阳极电压超过截止电压，则电流急剧地流过，所以可以说电磁波产生器2是具有高的截止电压的一种二极管。
电磁波产生器2的阳极部12被分割为多个，所以如图21所示，构成了通过C、L的等效电路来表现的谐振器。在分割了的阳极谐振板22之间，即使在不振荡的状态下，微弱的微波也振动，在正常的状态下高频电场在相邻的阳极谐振板22之间成为相反的朝向。相邻的阳极谐振板22之间的相位差是180度(π弧度)，将该状态称为π模式。高频电场以谐振频率的周期进行变化。如果对阴极部11加热，并对阳极部12施加电压，则电子绕阳极部12的周围而环绕。如果改变阳极电压与磁通密度之比，则电子的环绕速度变化，所以能够通过对其进行调整而使环绕角速度等于谐振器中的高频电场的变化速度(电场的角速度)。
在有加速电场的空间中，电子向阴极部11侧收缩，在有减速电场的空间中，向阳极部12侧扩展，所以电子构成辐条状的电子群。该电子群在与谐振电路的高频电场的旋转周期同步地旋转的期间，减速电场中的电子丧失势能而收敛到阳极部12，所以对谐振器提供能量而振荡。此时，辐条状的电子群的形状根据阳极谐振板22的张数而变化，阳极谐振板22的张数越多，辐条形状越尖锐。辐条形状越尖锐，流过的感应电流越小，所以输出效率的最大点转移到低电流区域侧。因此，电磁波产生器2具有12张以上的阳极谐振板22。
图19～21示出具有12张阳极谐振板22的电磁波产生器2。根据具有12张以上的阳极谐振板22的阳极部12，能够提高低输入功率以及低电流区域中的输出效率，并且减小输出效率的变动幅度。如果阳极谐振板22的分割数增加，则谐振板之间的高频电场的每单位的密度变大，谐振的Q值变大。即，电子效率提高。另外，如果阳极谐振板22的分割数增加，则流过的感应电流的容许值变小，在低电流区域中输出效率成为最大。根据这样的点，在提高低输入功率以及低电流区域中的输出效率的方面，具有12张以上的阳极谐振板22的阳极部12是有效的。
图22以及图23示出电磁波产生器2的动作电压(阳极电压)和电子效率以及磁通密度的关系。从阴极部11放出了的热电子通过阴极部11与阳极部12之间的电场被加速从而得到运动能量，但由于与电场正交的磁场的影响，进行旋转运动。在进行该旋转运动时，通过阳极谐振板22的前端，从而在阳极部12中产生感应电流。该感应电流成为微波电力。将把该电子从电场得到的运动能量变换为微波能量的效率称为电子效率。电子效率ηe的理论式通过下式来表示。
[式1]
在上述式中，ra是阳极内径(2ra)的半径，rc是阴极外径(2rc)的半径，σ是阳极内径的半径(ra)与阴极外径的半径(rc)之比(rc/ra)，Bo是临界磁通密度，B是设计磁通密度，n是模式数(阳极分割N/2)，α1、α2是常数，λ是波长。
图22以及图23是根据上述2个式子求出的。在图22以及图23中，实施例是阳极谐振板22的数量为12张的电磁波产生器，比较例是阳极谐振板22的数量为10张的电磁波产生器。关于实施例的电磁波产生器，可知虽然针对一定的磁通密度的阳极电压低，但电子效率变高。基本上，磁通密度越高，电子效率越提高。例如，在将阳极电压设为3.5kV的情况下，比较例的电磁波产生器的磁通密度是200mT以下，相对于此，在实施例的电磁波产生器中，使用磁通密度成为230mT以上的永久磁铁27a、27b，从而能够进一步提高效率。
如上所述，通过应用具有12张以上的阳极谐振板22的阳极部12和磁通密度是230mT以上的永久磁铁27a、27b，如表1以及图3～7所示，能够实现200mA以下的阳极电流区域(低电流区域)中的最大输出效率是70％以上、而且相对150～700W的范围的输入功率的输出效率的变动率是15％以下的电磁波产生器2。另外，通过应用这样的电磁波产生器2，能够提供如上所述提高总光通量、并且提高调光时的效率和调光幅度的等离子体发光装置1。
(第2实施方式)
接下来，说明第2实施方式的等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器。在第2实施方式中，提高了300W级别的等离子体发光装置的发光效率以及总光通量。第2实施方式的等离子体发光装置的基本的结构与第1实施方式相同。即，如图1以及图2所示，第2实施方式的等离子体发光装置1具备：电磁波产生器2；电源部3，对电磁波产生器2供给电力；波导管4，传送从电磁波产生器2放射的电磁波；天线5，接收在波导管4内传送的电磁波；电磁波聚束器6，从天线5被照射电磁波；以及发光部，具有设置于电磁波聚束器6内的无电极阀门7。
但是，300W级别的等离子体发光装置被用于在比较低的顶棚(例如5m以下)处设置的室内照明、室外的狭窄区段照明等。在这样的等离子体发光装置中，为了应对来自比较低的顶棚的照度，重要的是提高降低输入功率而调光了时的发光效率。针对这样的点，第2实施方式的等离子体发光装置1具备在100～350W的范围内的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上的电磁波产生器2。根据这样的电磁波产生器2，能够在100～350W的范围内的输入功率的全域中使具有无电极阀门7的发光部高效地发光。
即，即使在使针对等离子体发光装置1的输入功率在100～350W的范围内变化而调光了的情况下，也能够在调光区域的全域中提高等离子体发光装置1的发光效率。因此，与等离子体发光装置1的输入功率对应的总光通量提高，而且在100～350W的范围内的输入功率的全域中发光效率提高。即，能够提供在100～350W的范围内的输入功率的全域(低输入功率区域)中明亮度、节能性优良的等离子体发光装置1。
为了使低输入功率区域(100～350W的范围的全域)中的电磁波产生器2的输出效率提高，有效的是提高在低电流区域中产生的微波的输出效率。具体而言，电磁波产生器2优选为针对100～350W的范围内的输入功率在30～150mA的范围的阳极电流区域中产生微波，并且这样的阳极电流区域的全域中的微波的输出效率是72％以上。而且，为了使电磁波产生器2的低输入功率区域中的输出效率提高，微波优选为在250～350W的范围内的输入功率下呈现最大输出效率。由此，能够再现性更良好地提高在100～350W的范围内的输入功率的全域中产生的微波的输出效率。
第2实施方式中的电磁波产生器2优选为在100～350W的范围内的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上、并且在30～150mA的范围内的阳极电流区域的全域中产生的微波的输出效率是72％以上，更优选为在250～350W的范围内的输入功率下微波呈现最大输出效率。在100～350W的范围内的输入功率以及30～150mA的范围内的阳极电流的全域中产生的微波的输出效率更优选为74％以上。另外，通过使用这样的电磁波产生器2，能够提高节能性等优良的等离子体发光装置1的发光效率。
表5以及图24～25示出实施例2的电磁波产生器2的输入功率、阳极电流、动作电压(阳极电压)、输出功率、微波的输出效率、以及振荡频率的一个例子。另外，在表5以及图24～25中，一并示出比较例4以及参考例1～2的电磁波产生器的特性。可知实施例2的电磁波产生器2在100～350W的范围内的输入功率的全域、以及30～150mA的范围内的阳极电流区域的全域中产生的微波的输出效率是72％以上、而且是74％以上。另外，微波呈现最大输出效率的输入功率是250～350W的范围(具体而言是300W左右)。实施例2的电磁波产生器2针对100～350W的范围的输入功率，保持3～3.2kV程度的动作电压。
[表5]
另一方面，关于参考例1的电磁波产生器，虽然在输入功率直至200W程度的区域中维持72％以上的输出效率，但如果输入功率低于200W，则输出效率的降低显著，输出效率小于72％。另外，微波呈现最大输出效率的输入功率超过300W而为400W左右。可知参考例2以及比较例4的电磁波产生器在100～350W的范围内的输入功率的全域中输出效率小于72％。根据这些输出效率的差异，实施例2的电磁波产生器2相比于比较例4以及参考例1～2的电磁波产生器，低功率区域中的输出特性更优良。另外，实施例2的电磁波产生器2和比较例4以及参考例1～2的电磁波产生器的具体的结构上的差异如表6所示。关于这些结构上的差异，在后面详述。
[表6]
表7以及图26示出使用了实施例2的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例2A)的输入功率和总光通量[单位：流明(lm)]的关系。表7以及图27示出使用了实施例2的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例2A)的输入功率和发光效率(灯效率[单位：lm/W])的关系。在这些表以及图中，一并示出使用了比较例4以及参考例1～2的电磁波产生器的等离子体发光装置(比较例4A、参考例1A、2A)的特性。可知实施例2A的等离子体发光装置相比于比较例4A以及参考例1A～2A的等离子体发光装置，350W以下的输入功率下的发光效率以及总光通量更优良。
[表7]
表7、图26以及图27相当于使向等离子体发光装置1的输入功率变化而进行了调光时的总光通量以及灯发光效率。如表7、图26以及图27所示，根据在100～350W的范围的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上的电磁波产生器2，即使在为了对等离子体发光装置1的明亮度进行调整(调光)而使输入功率在350W以下的范围内变化了的情况下，灯发光效率仍被维持。即，使用了实施例2的电磁波产生器2的等离子体发光装置1的调光时的发光效率以及总光通量优良。因此，能够抑制调光时的与发光效率的降低相伴的功耗的增大等。
如上所述，通过应用在100～350W的范围内的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上的电磁波产生器2，能够提高输入功率是300W级别的等离子体发光装置1的发光效率以及总光通量。而且，能够利用100～350W的范围的输入功率，高效地实施300W级别的等离子体发光装置1的调光。根据第2实施方式的等离子体发光装置1，能够提供适合于在店铺、仓库等的比较低的顶棚(例如5m以下)处设置的室内照明、室外的狭窄区段照明等的照明装置。但是，第2实施方式的等离子体发光装置1不限于照明装置，也可以应用于投影仪的光源等。
第2实施方式的等离子体发光装置1与高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等HID同样地，适合于比较低的顶棚用照明、狭窄区段照明等照明装置。而且，能够利用100～350W的范围的输入功率进行调光，所以使用了节能性比HID更优良并且具有无电极阀门7的发光部，所以寿命特性优良。因此，第2实施方式的等离子体发光装置1作为实现了因能量效率的提高所致的功耗的降低、和因寿命变长所致的装置成本、维护成本的降低的节能的照明装置是有效的。
在第2实施方式的等离子体发光装置1中使用的电磁波产生器2的具体的结构与第1实施方式相同。第2实施方式的电磁波产生器2如图19以及图20所示，作为振荡部主体，具备阴极部11和阳极部12。阳极部12具有阳极圆筒21、和从阳极圆筒21的内壁朝向管轴呈放射状地等间隔地配置了的多张阳极谐振板22。阴极部11具有在阳极圆筒21的内侧沿着管轴而配置了的灯丝23。这些以外的结构也与第1实施方式相同，详细内容如上所述。
如上所述，电磁波产生器2的阳极部12被分割为多个，所以构成了通过C、L的等效电路来表现的谐振器。如果对阴极部11加热，并对阳极部12施加电压，则电子绕阳极部12的周围而环绕。如果改变阳极电压与磁通密度之比，则电子的环绕速度变化，所以能够通过对其进行调整而使环绕角速度等于谐振器中的高频电场的变化速度。在有加速电场的空间中，电子向阴极部11侧收缩，在有减速电场的空间中向阳极部12侧扩展，所以电子构成辐条状的电子群。阳极谐振板22的张数越多，辐条状的电子群的形状变得越尖锐。电子群的辐条形状越尖锐，流过的感应电流越小，所以输出效率的最大点转移到低电流区域侧。因此，电磁波产生器2具有12张阳极谐振板22。
第2实施方式的电磁波产生器2如图20所示具有12张阳极谐振板22。根据具有12张阳极谐振板22的阳极部12，能够提高低功率区域以及低电流区域中的输出效率。如果阳极谐振板22的分割数增加，则谐振板之间的高频电场的每单位的密度变大，电子效率提高。如果阳极谐振板22的分割数增加，则流过的感应电流的容许值变小，在低电流区域中输出效率成为最大。
而且，为了通过300W级别的等离子体发光装置1得到与400W级别同等的发光效率，需要使输出效率的最大点更进一步转移到低电流侧。为此，优选为减小阳极内径(2ra)，增大阳极内径的半径(ra)与阴极外径(2rc)的半径(rc)之比(rc/ra)。由此，能够降低针对同一磁场的阳极电压。rc/ra比优选为0.487以上。此处，阳极内径(2ra)意味着多张阳极谐振板22的内侧端部(自由端)的内径。而且，在使用了12张阳极谐振板22的情况下，谐振器的L变大，Q值也降低。另外，通过减小阳极内径(2ra)，谐振器的C变大，Q值进一步降低。因此，能够使呈现微波的最大输出效率的阳极电流更进一步转移到低电流侧。
根据这样的点，为了提高350W以下的低功率区域以及150mA以下的低电流区域中的电磁波产生器2的输出效率，优选应用具有12张阳极谐振板22的阳极部12，并且将rc/ra比设为0.487以上。上述实施例2的电磁波产生器2如表6所示，具有12张阳极谐振板22，并且rc/ra比是0.487。另一方面，在参考例1、2的电磁波产生器中，虽然阳极谐振板的张数是12张，但rc/ra比是0.481。而且，比较例4的电磁波产生器的动作电压低至2.3～2.7V。在比较例4的电磁波产生器中，阳极谐振板的张数是10张，rc/ra比是0.443。
可知根据上述那样的电磁波产生器的具体的结构的差异，在实施例2的电磁波产生器2中微波呈现最大输出效率的输入功率比参考例1更进一步转移到低电流侧。根据这样的输入功率和输出效率的关系，实施例2的电磁波产生器2实现了在100～350W的范围内的输入功率的全域以及30～150mA的范围内的阳极电流区域的全域中微波的输出效率是72％以上这样的结构。另外，在比较例4的电磁波产生器中，阳极谐振板的张数是10张，另外参考例2的电磁波产生器的动作电压低，所以可知基于100～350W的范围的输入功率的微波的输出效率整体上低。
(第3实施方式)
接下来，说明第3实施方式的等离子体发光装置及其所使用的电磁波产生器。第3实施方式使400W级别的等离子体发光装置的发光效率以及总光通量进一步提高。第3实施方式的等离子体发光装置的基本的结构与第1实施方式相同。即，如图1以及图2所示，第3实施方式的等离子体发光装置1具备：电磁波产生器2；电源部3，对电磁波产生器2供给电力；波导管4，传送从电磁波产生器2放射的电磁波；天线5，接收在波导管4内传送的电磁波；电磁波聚束器6，从天线5照射电磁波；以及发光部，具有设置于电磁波聚束器6内的无电极阀门7。
但是，400W级别的等离子体发光装置被用于在仓库等的高顶棚(例如5m以上)处设置的室内照明、室外的道路以及街道的区段照明等。在这样的等离子体发光装置中，重要的是除了提高针对输入功率的发光效率以外，还提高以输入功率进行了调光时的低功率侧的发光效率。针对这样的点，第3实施方式的等离子体发光装置1具备在100～500W的范围内的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上的电磁波产生器2。根据这样的电磁波产生器2，能够在100～500W的范围内的输入功率的全域中使具有无电极阀门7的发光部高效地发光。
即，即使在使针对等离子体发光装置1的输入功率在100～500W的范围内变化而调光了的情况下，也能够在调光区域的全域中更进一步提高等离子体发光装置1的发光效率。因此，与等离子体发光装置1的输入功率对应的总光通量提高，进而在100～500W的范围内的输入功率的全域中发光效率提高。即，能够提供在100～500W的范围内的输入功率的全域中明亮度、节能性优良的等离子体发光装置1。
为了提高输入功率的全域(100～500W的范围的全域)中的电磁波产生器2的输出效率，有效的是提高在低电流区域中产生的微波的输出效率。具体而言，电磁波产生器2优选为针对100～500W的范围内的输入功率在30～200mA的范围的阳极电流区域中产生微波，并且这样的阳极电流区域的全域中的微波的输出效率是72％以上。而且，为了提高电磁波产生器2的低输入功率侧的输出效率，优选为微波在200～300W的范围内的输入功率下呈现最大输出效率。由此，能够再现性更良好地提高在100～500W的范围内的输入功率的全域中产生的微波的输出效率。
第3实施方式的电磁波产生器2优选为在100～500W的范围内的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上、并且在30～200mA的范围内的阳极电流区域的全域中产生的微波的输出效率是72％以上，更优选为在200～300W的范围内的输入功率下微波呈现最大输出效率。更优选为在100～500W的范围内的输入功率以及30～200mA的范围内的阳极电流的全域中产生的微波的输出效率是74％以上。另外，通过使用这样的电磁波产生器2，能够提高节能性等优良的等离子体发光装置1的发光效率。
表8以及图28～29示出实施例3的电磁波产生器2的输入功率、阳极电流、动作电压(阳极电压)、输出功率、微波的输出效率、以及振荡频率的一个例子。另外，在表8以及图28～29中，一并示出参考例3以及比较例5的电磁波产生器的特性。可知实施例3的电磁波产生器2在100～500W的范围内的输入功率的全域、以及30～200mA的范围内的阳极电流区域的全域中产生的微波的输出效率是72％以上、进而是74％以上。另外，微波呈现最大输出效率的输入功率是200～300W的范围(具体而言是235W左右)。实施例3的电磁波产生器2针对100～500W的范围的输入功率，保持2.5～3kV程度的动作电压。
[表8]
另一方面，参考例3的电磁波产生器虽然在输入功率直至200W程度的区域中维持72％以上的输出效率，但如果输入功率低于200W，则输出效率的降低变得显著，输出效率小于72％。另外，微波呈现最大输出效率的输入功率超过300W而成为400W左右。可知比较例5的电磁波产生器在100～500W的范围内的输入功率的全域中输出效率小于72％。根据这些输出效率的差异，实施例3的电磁波产生器2相比于参考例3以及比较例5的电磁波产生器，输出特性更优良。另外，实施例3的电磁波产生器2与参考例3以及比较例5的电磁波产生器的具体的结构上的差异如表9所示。关于这些结构上的差异，在后面详述。
[表9]
表10以及图30示出使用了实施例3的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例3A)的输入功率和总光通量[单位：流明(lm)]的关系。表10以及图31示出使用了实施例3的电磁波产生器的等离子体发光装置(实施例3A)的输入功率和发光效率(灯效率[单位：lm/W])的关系。在这些表以及图中，一并示出使用了参考例3以及比较例5的电磁波产生器的等离子体发光装置(参考例3A、比较例5A)的特性。可知实施例3A的等离子体发光装置1相比于比较例3A以及比较例5A的等离子体发光装置，在100～500W的范围的输入功率的功率范围中，总光通量以及发光效率更优良。
[表10]
表10、图30以及图31相当于使向等离子体发光装置1的输入功率变化而进行了调光时的总光通量以及发光效率。如表10、图30以及图31所示，根据在100～500W的范围的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上的电磁波产生器2，即使在为了对等离子体发光装置1的明亮度进行调整(调光)而使输入功率变化了的情况下，灯发光效率仍被维持。即，在使用了实施例3的电磁波产生器2的等离子体发光装置1中，总光通量优良，并且调光时的发光效率优良。因此，能够抑制调光时的与发光效率的降低相伴的功耗的增大等。
如上所述，通过应用在100～500W的范围的输入功率的全域中产生的微波的输出效率是72％以上的电磁波产生器2，不仅能够提高等离子体发光装置1的总光通量，而且还能够高效地实施等离子体发光装置1的调光。第3实施方式的等离子体发光装置1适合于在仓库等的高顶棚(例如5m以上)处设置的室内照明、室外的道路以及街道的区段照明等要求高输出的照明装置。但是，第3实施方式的等离子体发光装置1不限于照明装置，也可以应用于投影仪的光源等。
第3实施方式的等离子体发光装置1与高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等HID同样地，适合于高顶棚用照明、区段照明等高输出的照明装置。而且，能够通过100～500W的范围的输入功率进行调光，所以使用了节能性比HID更优良并且具有无电极阀门7的发光部，所以寿命特性优良。因此，第3实施方式的等离子体发光装置1作为实现了因能量效率的提高所致的功耗的降低、和因寿命变长所致的装置成本、维护成本的降低的节能的照明装置是有效的。
第3实施方式的等离子体发光装置1中使用的电磁波产生器2的具体的结构除了阳极谐振板22的张数以外，与第1实施方式相同。第3实施方式的电磁波产生器2如图19所示，作为振荡部主体，具备阴极部11和阳极部12。阳极部12具有阳极圆筒21、和从阳极圆筒21的内壁朝向管轴呈放射状地等间隔地配置了的多张阳极谐振板22。阴极部11具有在阳极圆筒21的内侧沿着管轴而配置了的灯丝23。这些以外的结构也与第1实施方式相同。
如上所述，在有加速电场的空间中，电子向阴极部11侧收缩，在有减速电场的空间中向阳极部12侧扩展，所以电子构成辐条状的电子群。该电子群在与谐振电路的高频电场的旋转周期同步地旋转的期间，减速电场中的电子丧失势能而收敛到阳极部12，所以对谐振器提供能量而振荡。辐条状的电子群的形状根据阳极谐振板22的张数而变化，阳极谐振板22的张数越多，辐条形状越尖锐。辐条形状越尖锐，流过的感应电流越小，所以输出效率的最大点转移到低电流区域侧。第3实施方式的电磁波产生器2具有14张以上的阳极谐振板22。
图32示出具有14张阳极谐振板22的电磁波产生器2。如果阳极谐振板22的分割数增加，则谐振板22之间的高频电场的每单位的密度变大，电子效率提高。另外，如果阳极谐振板22的分割数增加，则流过的感应电流的容许值变小。由此，能够提高低电流区域以及低输入功率区域中的微波的输出效率。但是，在使用了14张以上的阳极谐振板22的情况下，构成辐条的每单位的电子数变少，所以担心阳极电流变小，在高输入功率侧无法稳定地振荡。
为了在高输入功率侧稳定地振荡，优选减小阳极内径(2ra)，增大阳极内径的半径(ra)与阴极外径(2rc)的半径(rc)之比(rc/ra)。由此，能够提高输入耐抗性，降低针对同一磁场的阳极电压。rc/ra比优选为0.500以上。而且，在使用了14张以上的阳极谐振板22的情况下，谐振器的L变大，Q值也降低。另外，通过减小阳极内径(2ra)，谐振器的C变大，进而Q值降低。因此，能够使表示微波的最大输出效率的阳极电流更进一步转移到低电流侧。
根据这样的点，为了进一步提高100～500W的范围的输入功率区域中的电磁波产生器2的输出效率，优选应用具有14张以上的阳极谐振板22的阳极部12，更优选为rc/ra比是0.500以上。实施例3的电磁波产生器2如表9所示，具有14张以上的阳极谐振板22，并且rc/ra比是0.500。另一方面，参考例3的电磁波产生器的阳极谐振板的张数是12张，并且rc/ra比是0.481，比较例5的电磁波产生器的阳极谐振板的张数是10张，并且rc/ra比是0.443。根据这样的电磁波产生器2的具体的结构的差异，在实施例3中微波呈现最大输出效率的输入功率比参考例3、比较例5转移到更低电流侧。另外，在实施例3的电磁波产生器2中，实现了在100～500W的范围内的输入功率的全域中微波的输出效率是72％以上这样的结构。
从阴极部11放出了的热电子通过阴极部11与阳极部12之间的电场而被加速，从而得到运动能量，但由于与电场正交的磁场的影响，进行旋转运动。在进行该旋转运动时，通过阳极谐振板22的前端，从而在阳极部12中产生感应电流。该感应电流成为微波电力。如上所述，将把电子从电场得到的运动能量变换为微波能量的效率称为电子效率。关于实施例3的电磁波产生器，虽然针对一定的磁通密度的阳极电压低，但电子效率变高。基本上，磁通密度越高，电子效率越提高。实施例3的电磁波产生器通过使用磁通密度是230mT以上的永久磁铁27a、27b，能够进一步提高效率。
如上所述，通过应用具有14张以上的阳极谐振板22的阳极部12和磁通密度是230mT以上的永久磁铁27a、27b，从而如表8以及图28～29所示，能够实现在30～200mA的阳极电流区域(低电流区域)的全域中输出效率是72％以上的电磁波产生器2。另外，通过应用这样的电磁波产生器2，能够提供如上所述提高总光通量、并且提高调光时的效率和调光幅度的等离子体发光装置1。
另外，虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提出的，并未企图限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其他各种方式实施，能够在不脱离发明的要旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、要旨内，并且包含于权利要求书记载的发明及其均等的范围内。

Claims (15)

1.一种等离子体发光装置，其特征在于，具备：
电磁波产生器；
电源部，对所述电磁波产生器供给电力；
波导管，传送从所述电磁波产生器放射的电磁波；
天线，接收在所述波导管内传送的所述电磁波；
电磁波聚束器，从所述天线被照射所述电磁波；以及
发光部，具有配置于所述电磁波聚束器内并且填充了发光物质的无电极阀门，通过所述电磁波聚束器使所述电磁波聚束到所述无电极阀门，从而激发所述发光物质而进行等离子体发光，
所述电磁波产生器具备阴极部以及包围所述阴极部的阳极部，通过700W以下的输入功率而产生的所述电磁波的最大输出效率是70％以上。
2.根据权利要求1所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器针对所述输入功率在200mA以下的阳极电流区域中产生所述电磁波，并且所述阳极电流区域中的所述电磁波的最大输出效率是70％以上。
3.根据权利要求1所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器通过150W以上且700W以下的范围的输入功率而产生的所述电磁波的输出效率的变动率是15％以下。
4.根据权利要求2所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器在50mA以上且200mA以下的阳极电流区域中产生的所述电磁波的输出效率的变动率是15％以下。
5.根据权利要求1所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器具备：
具有阳极圆筒以及从所述阳极圆筒的内壁朝向管轴呈放射状地配置的12张以上的阳极谐振板的所述阳极部；
具有沿着所述阳极圆筒的管轴而配置了的灯丝的所述阴极部；以及
励磁电路，在所述阳极圆筒的管轴方向上产生磁场。
6.根据权利要求5所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述励磁电路具备磁通密度为230mT以上的永久磁铁。
7.根据权利要求1所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器在100W以上且350W以下的范围内的输入功率的全域中产生的所述电磁波的输出效率是72％以上。
8.根据权利要求7所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器针对所述输入功率在30mA以上且150mA以下的范围的阳极电流区域中产生所述电磁波，
所述电磁波在250W以上且350W以下的范围内的输入功率下呈现最大输出效率。
9.根据权利要求1所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器在100W以上且500W以下的范围内的输入功率的全域中产生的所述电磁波的输出效率是72％以上。
10.根据权利要求9所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波产生器针对所述输入功率在30mA以上且200mA以下的范围的阳极电流区域中产生所述电磁波，
所述电磁波在200W以上且300W以下的范围内的输入功率下呈现最大输出效率。
11.根据权利要求1所述的等离子体发光装置，其特征在于，
所述电磁波聚束器具备由高介电物质构成的聚束器主体，所述无电极阀门设置在所述聚束器主体内。
12.一种等离子体发光装置用电磁波产生器，向具备无电极阀门的等离子体发光装置供给电磁波，其特征在于，具备：
阳极部，具有阳极圆筒以及从所述阳极圆筒的内壁朝向管轴呈放射状地配置的12张以上的阳极谐振板；
阴极部，具有沿着所述阳极圆筒的管轴而配置了的灯丝；以及
励磁电路，在所述阳极圆筒的管轴方向上产生磁场，
通过700W以下的输入功率而产生的所述电磁波的最大输出效率是70％以上。
13.根据权利要求12所述的等离子体发光装置用电磁波产生器，其特征在于，
针对所述输入功率在200mA以下的阳极电流区域中产生所述电磁波。
14.根据权利要求12所述的等离子体发光装置用电磁波产生器，其特征在于，
通过150W以上且700W以下的范围的输入功率而产生的所述电磁波的输出效率的变动幅度是15％以下。
15.根据权利要求12所述的等离子体发光装置用电磁波产生器，其特征在于，
所述励磁电路具备磁通密度为230mT以上的永久磁铁。
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