JP2011090837A - 無電極放電ランプ及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の高い無電極放電ランプを提供する。
【解決手段】気密容器５の内部にニッケル板７ａ及び支持棒７ｂからなる金属部材７を配設した。このニッケル板７ａの表面には、当該ニッケル板７ａの二次電子放出係数及び蛍光体膜１１中の蛍光体の二次電子放出係数よりも大きな二次電子放出係数を有する材料を含んだ、二次電子放出膜７ｃが形成されている。これにより、ランプ点灯中においては、電子が二次電子放出膜７ｃに衝突することで二次電子が放出され、気密容器５内の電子数が増加する。すなわちランプ電流が増加するので、ランプ効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無電極放電ランプ及びそれを用いた照明器具に関するものである。

従来、透光性材料から電球状に形成された外管バルブ及び、外管バルブの外面から内部に向かって落ち窪んだキャビティを有する気密容器と、キャビティの内部に収納された誘導コイルとを備え、気密容器の内部に水銀を含む放電ガスを封入した無電極放電ランプ（以下、単にランプとも記す）が提供されている（例えば特許文献１，２参照）。この種の無電極放電ランプを点灯するにあたっては、誘導コイルに高周波電流を通電し、気密容器内部に高周波電磁界を発生させる。気密容器内部の電子は、この高周波電磁界によって加速され、加速された電子が気密容器内部の放電ガスに衝突することで、放電ガスが電離して気密容器内にプラズマが発生する。このプラズマ中では、水銀原子がプラズマ中の荷電粒子（電子やイオン）によって励起され、励起された水銀原子は紫外線を放射する。そして、この紫外線が気密容器の内面に形成された蛍光体膜によって可視光に変換されることで、当該無電極放電ランプは発光する。

上記のように、無電極放電ランプは気密容器内部に電極を持たない構造となっているため、電極の劣化による不点灯がなく、一般的な放電ランプに比べて長寿命であるという特徴がある。

今回、このような無電極放電ランプのランプ効率を向上させるために、ランプで消費される電力（ランプ電力）を変化させたときの光出力を測定し、この測定結果に基づいてランプ効率Ｅ［ｌｍ／Ｗ］、電力密度Ｄ［Ｗ／ｃｍ^３］、及びランプ電流Ｉ［Ａ］を算出した。その結果を、図３に示す。

ここで、本測定に用いた無電極放電ランプの気密容器５は、ガラス製で内壁面に保護膜及び蛍光体膜を形成した最大径１８０ｍｍの電球状の外管バルブ２と、ガラス製で外壁面に保護膜及び蛍光体膜を形成した円筒状のキャビティ３とを、図４（ｃ）に示すように結合部５ａで溶接して作製した。また、気密容器５の排気細管４の内部には、重量が２０ｍｇで重量比が５０：５０のＺｎ−Ｈｇ（亜鉛−水銀）アマルガム（図示せず）が封入され、気密容器５の内部にはアルゴンガスが封入されており、キャビティ３の内部において排気細管４の周りを巻回するように配設された誘導コイル（図示せず）には、外部に設けられた点灯回路から１３５ｋＨｚの高周波電流が通電される。なお、一般的に、無電極放電ランプのランプ効率は気密容器内の水銀蒸気圧に依存することが知られ、さらに水銀蒸気の供給源としてＺｎ−Ｈｇアマルガムを用いた場合には、水銀蒸気圧が外管バルブ２の最冷部（外管バルブ２の表面の中で最も温度が低い部分）の温度に依存することが知られているが、本測定では最冷部の温度差は最大値と最小値で１．５℃とほぼ同一であったため、特に補正などは行っていない。またランプ電流については、公知文献（「電磁誘導結合形無電極放電ランプの整合回路」、四宮雅樹、照明学会誌（J. Illum. Engng. Inst. Jpn.）, Vol.78, No.2,1994）の図２に開示された等価回路を用い、本文献中の式（１）を参照して計算を行った。

さらに、図３のデータを基にして統計解析（交互作用のある重回帰分析）を行った結果、以下の近似式が得られた。

上式より、ランプ電流Ｉ及び電力密度Ｄ以外の条件が一定の場合にランプ効率Ｅを向上させるには、ランプ電流Ｉを大きくし、また電力密度Ｄを小さくすればよいことがわかる。

さらに、電力密度Ｄを一定とすると、ランプ効率Ｅはランプ電流Ｉの増加に対して線形に増加することがわかる。すなわち、例えば気密容器内に電子を放出しやすい物質を配設して、ランプの点灯中に気密容器内に多量の電子を供給することで、ランプ効率Ｅを向上させることができると期待される。

特開２００８−２４３６２４号公報 特開２００５−１８３３６１号公報

ところで、特許文献１には、セシウムなどからなる暗所始動補助部（暗所始動補助フラグ）を気密容器の内部に配設し、初期電子（ランプ点灯前において気密容器内に存在する電子）の数を増加させた無電極放電ランプが記載されている。すなわち、暗所において無電極放電ランプを点灯するときには、気密容器内に存在する初期電子の数が少ないためにプラズマが発生しにくく、点灯開始までに長い時間がかかるのであるが、本従来例では、気密容器内部にセシウムなどの仕事関数の小さい（電子を放出しやすい）物質からなる暗所始動補助部を配設し、初期電子の数を増やすことで、ランプが点灯するまでの時間を短縮できるのである。

しかし、上記特許文献１に記載された従来例では、暗所始動補助部はランプの点灯開始を補助するためのものであるので、必ずしもランプ点灯中における電子数を増加させるものではなく、ランプ電流を増加させるに十分な数の電子を放出できないおそれがあった。

また特許文献２には、キャビティの蛍光体膜に、低仕事関数材料であるアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属の少なくとも一種類以上の化合物（以下、電子放出物質と記す）を混ぜ込んだ無電極放電ランプが記載されている。本従来例では、プラズマ中の電子が電子放出物質に衝突することで当該電子放出物質から電子が放出され、気密容器内の電子数が増加するので、ランプ電流を増加させることができる。

しかし、本従来例のように蛍光体膜に電子放出物質を混ぜ込んだ場合には、蛍光体膜の内部にある（蛍光体膜の表面に現れていない）電子放出物質には電子が衝突できず、この電子放出物質は電子の放出に寄与しないことになっていた。また、蛍光体膜中における電子放出物質の量が多い場合には、電子放出物質が紫外線を吸収することで、逆にランプ効率を低下させてしまうおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、二次電子放出膜から効率よく電子を放出させることにより、ランプ点灯中における気密容器内の電子数を増加させて、ランプ効率を向上させた無電極放電ランプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、透光性を有する外管バルブ及び、この外管バルブの外面から内部に向かって落ち窪んだキャビティを有し、水銀を含む放電ガスが内部に封入された気密容器と、この気密容器の内壁面に形成された蛍光体膜と、前記キャビティ内に配設されて前記気密容器内に誘導電磁界を発生させ、この電磁界の作用により前記放電ガスを励起発光させる誘導コイルと、前記気密容器の内部に配設された金属部材とを備え、前記金属部材の表面には、この金属部材の二次電子放出係数及び前記蛍光体膜中に含まれる蛍光体の二次電子放出係数よりも大きな二次電子放出係数を有する材料を含んだ、二次電子放出膜が形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明では、気密容器内に金属部材を配設し、この金属部材の表面に、二次電子放出係数の大きな材料を含有した二次電子放出膜を形成している。これにより、ランプの点灯中には、気密容器内の電子が二次電子放出膜に衝突することで多量の電子が放出されて、ランプ電流が増加するので、ランプ効率を向上させることができる。また、本発明では金属部材の表面に二次電子放出膜を形成しているので、金属部材の形状及び大きさを適宜調節することができ、また二次電子放出膜膜の厚さを適宜調節することができるので、二次電子放出膜から効率よく電子を放出させることができる。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記二次電子放出膜は、前記大きな二次電子放出係数を有する材料として、酸化マグネシウム、ダイアモンド、酸化ストロンチウム、酸化バリウムのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする。

請求項２の発明では、金属部材の表面に、二次電子放出係数の大きな物質である酸化マグネシウム、ダイアモンド、酸化ストロンチウム、酸化バリウムのうち少なくともいずれか一つを含む二次電子放出膜を形成しているので、請求項１の発明と同様の効果を奏することができる。

請求項３の発明は、請求項１または２記載の無電極放電ランプと、この無電極放電ランプから放射された光の配光を制御する反射鏡と、前記誘導コイルに高周波電流を通電する点灯回路とを備えていることを特徴とする。

請求項３の発明では、光源として請求項１または２記載の無電極放電ランプを用い、ランプから放射された光の配光を反射鏡によって制御することで、所望の配光特性を持たせた発光効率の高い照明装置を提供することができる。

本発明は、二次電子放出膜から効率よく電子を放出させることにより、ランプ点灯中における気密容器内の電子数を増加させて、ランプ効率を向上させた無電極放電ランプを提供することができる。

本発明の実施形態における無電極放電ランプ１の概略断面図である。 同上における照明器具の概略図である。 従来の無電極放電ランプにおいて、電力密度Ｄとランプ効率Ｅ、及び電力密度Ｄとランプ電流Ｉの関係を示す図である。 同上において、（ａ）は外管バルブ２の概略側面図、（ｂ）はキャビティ３の概略側面図、（ｃ）は外管バルブ２とキャビティ３とを溶接して気密容器５を作製する方法を示す概略図である。

本発明の実施形態を、図１及び図２を参照して説明する。

本実施形態の無電極放電ランプ１は、外管バルブ２、キャビティ３、及び排気細管４からなる気密容器５と、円筒状のキャビティ３に挿入される円筒状のカプラ６と、気密容器５の内部に配設される金属部材７とを備え、気密容器５の内部には、水銀蒸気を含む放電ガス及びアルゴンなどの希ガスが封入されている。

外管バルブ２は透光性を有するガラス製であって、いわゆる電球状に形成されている。キャビティ３は円筒状のガラス部材であって、結合部５ａで外管バルブ２と一体的に結合されている。また、キャビティ３の底面３ａの中央部からは、キャビティ３の内部を通り外管バルブ２の外方へ向かってガラス製の排気細管４が突設されている。この排気細管４の内部には、位置決め用の円柱状の２つのガラスロッド８に挟まれて、金属容器９が封入されている。そして、この金属容器９には、Ｚｎ−Ｈｇアマルガム（重量比５０：５０）が収納されるとともに小さな貫通孔が形成されており、このアマルガムによって気密容器５内部の水銀蒸気圧を制御できるようになっている。またガラスロッド８は、排気細管４に形成された窪み部４ａによって位置決めされている。そして、外管バルブ２の内面及びキャビティ３の外面（気密容器５において放電ガスに接する面）には、シリカやアルミナからなり水銀蒸気から気密容器５を保護するための保護膜１０が形成され、さらに、気密容器５内の放電ガスから放射された紫外線を可視光に変換するための蛍光体膜１１が、保護膜１０を覆って形成されている。

この気密容器５は、両端が開口した円筒状の口金１２に、結合部５ａを口金１２の内部に挿入した形で固定されている。

カプラ６は、銅などの熱伝導率の高い材料から円筒状に形成された放熱パイプ１３と、放熱パイプ１３の図１における上部に嵌装された円筒状のフェライトコア１４と、円筒状であって放熱パイプ１３及びフェライトコア１４を収納する収納筒１５と、収納筒の外周においてフェライトコア１４の周りに巻回された誘導コイル１６とを備えている。このカプラ６は、口金１２に固定されるように構成されており、カプラ６を口金１２に固定した際には、カプラ６の内部に排気細管４が挿通されるとともにカプラ６の先部（図１における上端部）がキャビティ３内に位置するようになっている。

金属部材７は、平板状のニッケル板７ａに、コ字状に折り曲げられたステンレスの支持棒７ｂの一端を取り付けて作製される。このニッケル板７ａの表面には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ダイアモンド、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）のうち、少なくともいずれか一つを含む二次電子放出膜７ｃが形成されている。そしてこの金属部材７は、図１に示すように、支持棒７ｂのニッケル板７ａに接続されていない他端を、排気細管４に形成された係止部４ｂに係止して、ニッケル板７ａが誘導コイル１６の近傍に位置するように気密容器５に取り付けられる。

上記のような本実施形態の無電極放電ランプ１は、例えば図２に示すような照明器具に利用される。図２に示す照明器具は、無電極放電ランプ１と、カプラ６の誘導コイル１６に高周波電力を供給する高周波電源部（図示せず）を有する点灯回路部１７と、無電極放電ランプ１から放射された光を反射する反射鏡１８とを備えている。

点灯回路部１７は、例えば、商用電源により得られた交流電圧を所定の高周波電圧に変換して誘導コイル１６に高周波電力を供給する高周波電源部や、調光用のパルスジェネレータから指示されるデューティ比に応じて高周波電源部の出力をオンオフ制御する調光制御回路（図示せず）などにより構成されている。なお、点灯回路部１７としては従来周知のものを採用できるから、詳細な説明は省略する。

反射鏡１８は、図２における下面が開口したドーム状であって、反射鏡１８の開口面を閉塞する形でガラス製の透光板１９が取り付けられている。この反射鏡１８は、無電極放電ランプ１から放射された光を図２における下方へ反射して、透光板１９の下部を均等に照射するように形成されている。

以上述べた本実施形態の照明器具において、点灯回路部１７から誘導コイル１６に高周波電流を流すと、誘導コイル１６の周りに高周波電磁界が発生する。気密容器５内の電子は、この高周波電磁界により加速され、加速された電子が水銀原子に衝突することで、水銀原子が電離する。これにより放電が開始され、上記のような電離が繰り返されることで放電が維持されて、気密容器５内にプラズマが発生する。プラズマが生じると、高周波電磁界によるエネルギーのほとんどが電子で費やされるようになり、高周波電磁界により加速された電子が水銀原子に衝突することで、水銀原子が電離あるいは励起される。そして、励起された水銀原子が基底状態に戻るときに、励起状態と基底状態とのエネルギー差に相当する波長の光、すなわち紫外線（波長が２５４ｎｍの紫外線、および波長が１８５ｎｍの紫外線）が放射される。このような紫外線は、気密容器５の内面に形成された蛍光体膜１１により可視光に変換されて、外管バルブ２から外方に放射される。

また、本実施形態の無電極放電ランプ１では、気密容器５の内部に金属部材７を設けているので、プラズマ中の電子は金属部材７の二次電子放出膜７ｃにも衝突し、二次電子放出膜７ｃから多量の電子を放出させる（二次電子放出）。これにより、気密容器５内の電子数は、金属部材７を設けていないときに比べて増加する。すなわち本実施形態の無電極放電ランプ１では、金属部材７を設けていないランプよりもランプ電流が増加することになり、背景技術で示したようにランプ効率が向上することになる。

実際に、二次電子放出膜７ｃを有する金属部材７を設けた無電極放電ランプ（本実施形態の無電極放電ランプ１）と、金属部材７を設けない無電極放電ランプとを作製し、周囲温度２５℃、ランプ電力２４０Ｗの定格点灯にて点灯実験を行ったところ、１００時間点灯後のランプ効率は、金属部材７を設けていないものでは８７．５［ｌｍ／Ｗ］であったのに対し、金属部材７を設けたものでは９１．３［ｌｍ／Ｗ］であり、ランプ効率が約４．３％増加することが確認できた。

以上のように、本実施形態の無電極放電ランプ１は、二次電子放出膜７ｃを形成した金属部材７を気密容器５内に配設することで、ランプ効率を向上させることができる。

１ 無電極放電ランプ
２ 外管バルブ
３ キャビティ
５ 気密容器
７ 金属部材
７ｃ 二次電子放出膜
１６ 誘導コイル

Claims (3)

1. 透光性を有する外管バルブ及び、この外管バルブの外面から内部に向かって落ち窪んだキャビティを有し、水銀を含む放電ガスが内部に封入された気密容器と、この気密容器の内壁面に形成された蛍光体膜と、前記キャビティ内に配設されて前記気密容器内に誘導電磁界を発生させ、この電磁界の作用により前記放電ガスを励起発光させる誘導コイルと、前記気密容器の内部に配設された金属部材とを備え、
   前記金属部材の表面には、この金属部材の二次電子放出係数及び前記蛍光体膜中に含まれる蛍光体の二次電子放出係数よりも大きな二次電子放出係数を有する材料を含んだ、二次電子放出膜が形成されていることを特徴とする無電極放電ランプ。
2. 前記二次電子放出膜は、前記大きな二次電子放出係数を有する材料として、酸化マグネシウム、ダイアモンド、酸化ストロンチウム、酸化バリウムのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ。
3. 請求項１または２記載の無電極放電ランプと、この無電極放電ランプから放射された光の配光を制御する反射鏡と、前記誘導コイルに高周波電流を通電する点灯回路とを備えていることを特徴とする照明器具。

Images