JP3596463B2 - Electrodeless discharge lamp device and electrodeless discharge lamp - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は無電極放電ランプ装置および無電極放電ランプに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、点灯時に高内圧となる無電極放電ランプ装置は、電極が無く長寿命であり、また紫外線を効率よく取り出せるという利点から一般照明用途やキュア用UV光源用途に使用されてきている。しかし、従来の無電極放電ランプ装置はアークが放電容器の管壁に沿う、いわゆる管壁安定型の放電であり、熱負荷が放電容器の管壁にかかるため強制的な冷却が必要であった。また、アーク放電をランプ中心に絞ることができず、点光源化が全く不可能であり、プロジェクター用等の高輝度点光源としては使用できなかった。
【0003】
一方、特開昭62−243295号公報には無電極蛍光ランプを使用した照明装置が開示されている。これは、蛍光ランプなどの低圧放電の無電極放電ランプについての技術である。高周波電磁界の強度が小さいときは、発光域が小さく、高周波電磁界の強度を大きくすると発光域が大きくなるという技術が開示されている。ところが、点灯時に高内圧となる無電極放電ランプでは、高周波電磁界の強度を本公報に記載の技術のように単に大きくしたり小さくしても、そのランプの高圧プラズマ発光領域を管壁から離してランプの発光管中央部に集めるといったことは全く不可能であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、点灯時に高内圧となる無電極放電ランプ装置において、高圧プラズマ発光球を発光管壁から離すことによって、一般照明やキュア用UV光源用途に使用できる無電極放電ランプ装置および無電極放電ランプを提供することにある。
点灯時の高内圧とは2×104Pa以上の圧力となることを本願ではいう。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、透光性の材料からなる発光管内部に、該発光管の管壁から離れて高圧プラズマ発光球を生じる封入物を封入した無電極放電ランプと、該無電極放電ランプの外部より電磁エネルギーを該無電極放電ランプに供給する電磁エネルギー供給手段と、該高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段とを具え、電磁波エネルギーをP(W)、発光管内容積をv(cm 3 )、封入物密度をn 0 (個/cm 3 )、封入物の電離電圧をVi(eV)としたときに、式(1)
P/v≦4.39×10 − 11 ×n 0 ×exp(−1.39Vi)の関係を満たすことを特徴とするものである。なお、本願では封入物密度は単位体積(1cm 3 )当たりの原子の個数で表す。放電ランプの単位体積あたりからの放射エネルギー P r を求める式の一つとして、下記式がある。これは John F. Waymouth, Electric Discharge Lamps ( 289 頁、 1971 年) に記載がある。
P r =n 0 A hn exp(-eV/kT) ここで、 n 0 は原子密度、 A は遷移確率の平均、 hn は光子エネルギーの平均、 V は励起電圧の平均、 T は温度、 e は電気素量、 k はボルツマン定数である。この式では、各平均値等の値を使い、 P r を与えているが、しかしながら、実際のランプ内の状態を考慮し、これらの値を求めるにあたっては困難を伴い、なおかつ膨大な時間を要する。そこで、本発明における検討においては、便宜的に原子密度 n 0 としてランプ封入物の封入物密度を代用し、平均励起電圧として封入物の電離電圧を代用した。平均励起電圧として封入物の電離電圧を代用したのは、励起電圧が原子の電離電圧の 5 〜 10 割程度のところに分布しているという事実からである。そして、具体的にランプを製作し、高圧プラズマ発光球の形成に関する実験の結果に基づき請求項 4 の式(1)の条件を得たものである。すなわち、電磁波エネルギーをP(W)、発光管内容積をv(cm 3 )、封入物密度をn 0 (個/cm 3 )、封入物の電離電圧をVi(eV)としたときに、P/v≦4.39×10 − 11 ×n 0 ×exp(−1.39Vi)
の関係式を満たす場合に、高圧プラズマ発光球が管壁から離れた状態で発光が継続される無電極放電ランプとなることが見出されたのである。
【0006】
本願では、球状に形成された高圧プラズマ発光領域を高圧プラズマ発光球と呼称する。高圧プラズマ発光球が発光管の管壁から離れるとは、すなわち、発光管の中心位置から管壁までの間で温度分布を取ると途中で変曲点を有する状態をいう。図2に発光管内の温度分布を模式図的に示す。図2において、縦軸に温度、横軸に発光管の管壁からの距離を取ると、従来の無電極放電ランプでは発光管外表面を強制的に冷却しているため、発光管内表面近傍で急激に温度が低下している。一方、本発明においては、強制冷却が無くても実線Aで示すように発光管の管壁近傍では管壁と略同じ程度の温度であって、変曲点Cを境に発光中心に向かい急激に温度上昇するという温度分布となっているのである。
【0007】
請求項2に記載の発明は、前記封入物として、可視光を発光するAl、Fe、Hf、In、Ce、Gd、Sc、Sn、Hg、Pr、Eu、Tl、Dy、Er、Zn、Yb、Lu、Ti、Zr、La、Na、Li、Xeの内の少なくとも1種を含む物質を封入したことを特徴とする請求項1に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0008】
請求項3に記載の発明は、前記封入物として、紫外線を発光するFe、Ga、Tl、Sb、In、Pb、Bi、Hgの内の少なくとも1種を封入したことを特徴とする請求項1に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0011】
請求項4に記載の発明は、封入物が水銀(Hg)を含み、Hg量が1Kg/m3以上であることを特徴とする請求項2に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0012】
請求項5に記載の発明は、封入物がキセノン(Xe)を含み、Xeの25℃における封入圧が1.5MPa以上であることを特徴とする請求項2に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0013】
請求項6に記載の発明は、封入物として請求項2に記載の物質に加えて、蒸気圧が高く、電気伝導に寄与する物質を封入したことを特徴とする請求項1に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0014】
請求項7に記載の発明は、封入物として請求項3に記載の物質に加えて、蒸気圧が高く、電気伝導に寄与する物質を封入したことを特徴とする請求項1に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0015】
請求項8に記載の発明は、前記高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、無電極放電ランプに音響共鳴を生じさせるように、外部電磁エネルギーの強度が変調されたことを特徴とする請求項1乃至請求項7に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0016】
請求項9に記載の発明は、前記高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、発光部分の位置を検出し、発光管の外側に配設されたコイルによって、磁場を変化させ、発光部を発光管から離すようにフィードバックをかけることを特徴とする請求項1乃至請求項7に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0017】
請求項10に記載の発明は、前記高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、マイクロ波共振室内に電界強度の強いところを生じさせ、かつ該電界強度の強いところと前記発光管の中心位置を一致させることを特徴とする請求項1乃至請求項7に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0018】
請求項11に記載の発明は、前記高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、マイクロ波共振室内に定在波を生じさせるように反射波を生じさせることを特徴とする請求項1 0に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0019】
請求項12に記載の発明は、前記高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、マイクロ波共振室内に電界強度の強いところを生じさせるようにマイクロ波共振室の電磁波エネルギー供給側に位置する壁面に複数の開口部を設けていることを特徴とする請求項1 0に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0020】
請求項13に記載の発明は、前記高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、マイクロ波共振室内に電界強度の強いところを生じさせるようにマイクロ波共振室の一部を凹面反射鏡としたことを特徴とする請求項10に記載の無電極放電ランプ装置とするものである。
【0021】
請求項14に記載の発明は、前記高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、マイクロ波共振室内に金属または誘電率の高い物質を設置することを特徴とする請求項10に記載の無電極放電ランプとするものである。
【0022】
請求項15に記載の発明は、請求項1乃至請求項14の無電極放電ランプ装置に使用される無電極放電ランプであって、発光管内表面に鋭角なくぼみを持つことを特徴とする無電極放電ランプとするものである。
【0023】
請求項16に記載の発明は、請求項1乃至請求項14の無電極放電ランプ装置に使用される無電極放電ランプであって、発光管外表面に少なくとも1つの突出部を有することを特徴とする無電極放電ランプとするものである。
【0024】
【作用】
Hg、Xe、メタルハライドなどの発光物質は、放電容器内の圧力が高くなると吸収係数が高くなり放射損失が大きくなる。損失を小さくするため、プラズマは収縮し、管壁から離れるようになる。
【0025】
収縮した高圧プラズマ発光球はそのままでは浮力が働いて上方に動こうとする。非接触の手段(静磁場、静電場、あるいは変化する電磁場、音響共鳴などの手段)で高圧プラズマ発光球を発光管の管壁から離れた位置に置くことができる。
【0026】
発光管内面から高圧プラズマ発光球を離すことで、発光管への熱負荷が小さくなるので、発光管が失透するのを抑えることができ、ランプの寿命がのびる。
【0027】
高圧プラズマ発光球が発光管に接している従来の無電極ランプと比較して、発光管への熱負荷が小さいので冷却条件が簡単になる。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明の無電極放電ランプ装置の構成を図1によって説明する。
透光性の材料からなる発光管1内部に、発光管1の管壁から離れて高圧プラズマ発光球5を生じる封入物を封入した無電極放電ランプ200と、無電極放電ランプ200の外部より電磁エネルギーを無電極放電ランプ200に供給する電磁エネルギー供給手段であるマイクロ波源3と、高圧プラズマ発光球5の位置を制御する手段(ここではマイクロ波源3が兼ねている)とを具えてなる。発光管1は発光管支持部材6によってマイクロ波共振室2内に支持されている。なお、発光管支持部材6は発光管と一体であっても別体であってもかまわない。
【0029】
発光管材料としては石英ガラスやアルミナ、YAGといった透光性セラミックスが使用される。
封入物としては、可視光を発光するAl、Fe、Hf、In、Ce、Gd、Sc、Sn、Hg、Pr、Eu、Tl、Dy、Er、Zn、Yb、Lu、Ti、Zr、La、Na、Li、Xeの内の少なくとも1種を含む物質を封入、あるいは紫外線を発光するFe、Ga、Tl、Sb、In、Pb、Bi、Hgの内の少なくとも1種を封入する。
【0030】
特に、封入物として水銀(Hg)を含む場合には、Hg量が1Kg/m3以上であることが望ましい。これは熱伝導による損失を低減するためである。
また、封入物がキセノン(Xe)を含む場合は、Xeの25℃における封入圧が1.5MPa以上であることが望ましい。これは熱伝導による損失を低減するためである。
【0031】
また、封入物として上記可視光を発光する物質に加えて、蒸気圧が高く、電気伝導に寄与する物質を封入することも可能である。
また、封入物として、上記紫外線を発光する物質を選択する場合にも上記紫外線を発光する物質に加えて、蒸気圧が高く、電気伝導に寄与する物質を封入することも可能である。蒸気圧が高く電気伝導に寄与する物質を封入すると電気伝導率がよくなり、高圧プラズマ発光球が安定に点灯しやすくなるためである。
【0032】
高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として図3および図4を用いて説明すると、図3は、例えばCCDカメラのような発光球位置検出機構7によって発光部分の位置を検出し、発光管1の外側に配設されたコイル15に駆動電源8から電流を流して磁力線の強弱を変え、磁場を変化させ、高圧プラズマ発光球5を発光管1の管壁から離すようにフィードバックをかけることができる。
【0033】
また、高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、図4に示すように、外部電磁エネルギーの強度を周期的に変調することで、マイクロ波共振室内の無電極放電ランプに、そのランプの封入物・封入圧に関連したそのランプ固有の共振周波数に外部電磁エネルギーの強度変調を合わせて、音響共鳴を生じさせて発光管内に気体密度の疎密の定在波を生じさせ、その定在波の節付近に、高圧プラズマ発光球の位置を制御することができる。図4では発光管1内の高圧プラズマ発光球を省略してあり、発光管1内には、ある時刻の気体の疎密を濃淡で表現してある。
【0034】
なお、外部電磁エネルギーの強度を周期的に変調するとは外部電磁エネルギーの周波数の振幅を周期的に変化させるということである。
【0035】
または、高圧プラズマ発光球の位置を制御する手段として、マイクロ波共振室内に電界強度の強いところを生じさせ、かつ該電界強度の強いところと前記発光管の中心位置を一致させたりすることにより行う。マイクロ波共振室内に電界強度の強いところを生じさせ、かつ該電界強度の強い場所と前記発光管の中心位置を一致させるには、マイクロ波共振室内に定在波を生じさせるように該マイクロ波共振室の壁を利用して反射波を生じさせるとよい。
定在波を生じさせるように反射波を生じさせるとは、例えば整合器によりマイクロ波共振室内の整合状態を変化させ不整合な状態をつくり出すことである。
【0036】
図5に示したように、マイクロ波共振室2内に電界強度の強いところを生じさせるようにマイクロ波共振室2の電磁波エネルギー供給側に位置する壁面に複数の開口部13を設けても、マイクロ波共振室内に電界強度の強いところを生じさせ、かつ該電界強度の強いところと前記発光管の中心位置を一致させることが可能である。この複数の開口部から導入されたマイクロ波は、マイクロ波共振室内で互いに重畳し合い、電界強度の強い部分を生じさせることができる。
【0037】
さらには、図6や図7に示すように、マイクロ波共振室2内に電界強度の強いところを生じさせるようにマイクロ波共振室2の一部を凹面反射鏡10としたりするとよい。特に図7においてはマイクロ波共振室2内面が導波路接合部を除きすべてが凹面反射鏡となっている。
【0038】
そして、マイクロ波共振室内に金属または誘電率の高い物質を設置するとよい。
それは金属または誘電率の高い物質により電界強度の強い部分を生じさせることができるためである。
具体的には金属やセラミックスなどの物質をランプ近くに設置するのが有効である。図10に模式図を示す。発光管支持部材6に貫通固定された高誘電率部材14が発光管近傍に設置されている。ここでセラミックスは例えばアルミナが用いられる。また、金属はタングステンが用いられる。
【0039】
なお、図8、図9は本発明に係る無電極放電ランプ装置に使用される無電極放電ランプの発光管形状の一例であるが、発光管1内表面に鋭角なくぼみ11を持たせることや、発光管外表面に少なくとも1つの突出部12を有することで電界が集中しやすくなり点灯性が改善されるものである。
【0040】
【実施例】
次に本発明の具体的実施例について詳細に説明する。
<実施例1>
図1に示した無電極放電ランプ装置において、発光管1としてシリカガラス製の球状発光管(外径20φ、肉厚2.0mm(内径16φ))とし、封入物としては、Hg10Kg/m3=10mg/cm3、Ar13kPaを封入した。そして、周波数2.45GHzで500Wのマイクロ波をランプへ供給すると、Hgが完全に蒸発した状態で直径約4mmの高圧プラズマ発光球ができた。マイクロ波に振幅変調を加えるとランプ内で音響共鳴を生じて、高圧プラズマ発光球が発光管上部内面から離れたことが確認された。
【0041】
電磁波エネルギー(P)は500W、発光管内容積(v)は2.14cm3、電磁波エネルギー密度(P/v)は234W/cm3封入物密度(n0)は3.01×10 19 (個/cm3)、水銀の電離電圧をVi(eV)は10.4eVであり、請求項4に記載の式(1)において4.39×10− 11×n0×exp(−1.39Vi)=4.39×10− 11×3.01×1019×exp(−1.39×10.4)=696W/cm3>234W/cm3となり、式(1)を満足する。
【0042】
<実施例2>
図6に示した無電極放電ランプ装置において、発光管1としてシリカガラス製の球状発光管(外径20φ、肉厚2.0mm(内径16φ))とし、封入物としては、Hg5Kg/m3=5mg/cm3、Ar13kPaを封入した。そして、周波数2.45GHzで500Wのマイクロ波をランプへ供給し、反射波が100Wの条件で点灯させたところ、Hgが完全に蒸発した状態で直径約5mmの高圧プラズマ発光球ができた。
自然空冷の条件で発光管が失透や膨れを生じることなく点灯できた。
【0043】
電磁波エネルギー(P)は500W−(マイナス)100Wで正味400W、発光管内容積(v)は2.14cm3、電磁波エネルギー密度(P/v)は187W/cm3。封入物密度(n0)は1.51×10 19 (個/cm3)、水銀の電離電圧をVi(eV)は10.4eVであり、請求項4に記載の式(1)において、4.39×10− 11×n0×exp(−1.39Vi)=4.39×10-11×1.51×1019×exp(−1.39×10.4)=349W/cm3>187W/cm3となり、式(1)を満足する。
【0044】
<実施例3>
水銀に代えて沃化ハフニウム(HfI4)を封入したランプを製作した。図6に示した無電極放電ランプ装置において、発光管1としてシリカガラス製の球状発光管(外径20φ、肉厚2.0mm(内径16φ))とし、封入物としては、HfI41.7Kg/m3=1.7mg/cm3、Ar13kPaを封入した。そして、周波数2.45GHzで1000Wのマイクロ波をランプへ供給したところ、Hfが完全に蒸発した状態で発光管中央部付近に直径約4mmの高圧プラズマ発光球ができた。
【0045】
電磁波エネルギー(P)は1000W、発光管内容積(v)は2.14cm3、電磁波エネルギー密度(P/v)は467W/cm3。封入物密度(n0)は1.49×1018(個/cm3)、ハフニウムの電離電圧をVi(eV)は7.0eVであり、請求項4に記載の式(1)において、
4.39×10−11×n0×exp(−1.39Vi)
=4.39×10−11×1.49×1018×exp(−1.39×7.0)
=3890W/cm3>467W/cm3となり、式(1)を満足する。
【0046】
<比較例>
上記実施例との比較のため、請求項4の式(1)を満足しない条件で無電極放電ランプの点灯を行った。
図6に示した無電極放電ランプ装置において、発光管1としてシリカガラス製の球状発光管(外径20φ、肉厚2.0mm(内径16φ))とし、封入物としては、Hg1Kg/m3=1mg/cm3、Ar13kPaを封入した。そして、周波数2.45GHzで200Wのマイクロ波をランプへ供給した。
【0047】
請求項4に記載の式(1)において、電磁波エネルギー(P)は200W、発光管内容積(v)は2.14cm3、電磁波エネルギー密度(P/v)は93.5W/cm3。封入物密度(n0)は3.01×1018(個/cm3)、水銀の電離電圧をVi(eV)は10.4eVであり、式(1)は、
4.39×10−11×n0×exp(−1.39Vi)
=4.39×10−11×3.01×1018×exp(−1.39×10.4)
=69.6W/cm3となる。これは、電力密度93.5W/cm3より大きくなり、式(1)を満足しないものであった。
この場合に無電極放電ランプにおいて高圧プラズマ発光球は、発光管壁と接した状態であった。
【0048】
本発明の実施例においては、電磁エネルギー供給手段としてマイクロ波源で説明したが、電磁エネルギーとしては高周波エネルギーも当然使用可能である。
なお、本発明の無電極放電ランプ装置は、店舗照明などの一般照明用途にも使用可能であるが、点光源化することによって光学系と組み合わせて液晶プロジェクタやファイバー照明用光源などの光源としても使用可能性がある。
【0049】
【発明の効果】
本発明の無電極放電ランプ装置によれば、発光物質の圧力が高くても、放射損失を小さくするように高圧プラズマ発光球が収縮し、管壁から離れて、発光管への熱負荷が小さくでき、発光管が失透するのを抑えることができ、ランプの寿命がのびる。
【0050】
また、本発明の無電極放電ランプは、高圧プラズマ発光球が発光管に接して
いる従来型の無電極放電ランプと比較して発光管への熱負荷が小さいのでランプの冷却が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる無電極放電ランプ装置の構成図である。
【図2】発光管内の管壁から発光中心にかけての温度分布の模式図である。
【図3】本発明にかかる無電極放電ランプ装置の構成図である。
【図4】本発明にかかる無電極放電ランプ装置の構成図である。
【図5】本発明にかかる無電極放電ランプ装置の構成図である。
【図6】本発明にかかる無電極放電ランプ装置の構成図である。
【図7】本発明にかかる無電極放電ランプ装置の構成図である。
【図8】本発明にかかる無電極放電ランプの発光管形状の例を示す。
【図9】本発明にかかる無電極放電ランプの発光管形状の例を示す。
【図10】本発明にかかる無電極放電ランプ装置の構成図である。
【符号の説明】
1 発光管
2 マイクロ波共振室
3 マイクロ波源
4 導波路
5 高圧プラズマ発光球
6 発光管支持部材
7 発光球位置検出機構
8 駆動電源
9 磁力線
10 反射鏡
11 くぼみ
12 突出部
13 開口部
14 高誘電率部材
15 コイル
100 無電極放電ランプ装置
200 無電極放電ランプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrodeless discharge lamp device and an electrodeless discharge lamp.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an electrodeless discharge lamp device having a high internal pressure during lighting has been used for general lighting applications and UV light sources for curing, because it has no electrodes, has a long life, and can extract ultraviolet rays efficiently. However, the conventional electrodeless discharge lamp device is a so-called tube wall stable discharge in which the arc follows the tube wall of the discharge vessel, and forcible cooling is necessary because a heat load is applied to the tube wall of the discharge vessel. . Further, the arc discharge cannot be focused on the center of the lamp, making it impossible to use a point light source at all, and cannot be used as a high-brightness point light source for a projector or the like.
[0003]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-243295 discloses a lighting device using an electrodeless fluorescent lamp. This is a technique for an electrodeless discharge lamp of low pressure discharge such as a fluorescent lamp. There is disclosed a technology in which when the intensity of the high-frequency electromagnetic field is small, the light-emitting area is small, and when the intensity of the high-frequency electromagnetic field is increased, the light-emitting area is increased. However, in an electrodeless discharge lamp that has a high internal pressure when lit, even if the intensity of the high-frequency electromagnetic field is simply increased or decreased as in the technique described in this publication, the high-pressure plasma emission region of the lamp is separated from the tube wall. It was impossible at all to collect the light in the center of the arc tube of the lamp.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide an electrodeless discharge lamp device that can be used for general lighting and UV light sources for curing by separating a high-pressure plasma luminous bulb from an arc tube wall in an electrodeless discharge lamp device having a high internal pressure when lit. And an electrodeless discharge lamp.
In the present application, the high internal pressure at the time of lighting means a pressure of 2 × 10 4 Pa or more.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
P / v ≦ 4.39 × 10 - 11 is characterized in satisfying the relationship × n 0 × exp (-1.39Vi) . In the present application, the density of the enclosure is represented by the number of atoms per unit volume (1 cm 3 ). Obtaining radiant energy P r from the per unit volume of the discharge lamp as a formula, there is a following formula. This is John F. Waymouth, Electric Discharge Lamps ( page 289 , 1971 ) There is a description.
P r = n 0 A hn exp (-eV / kT) where n 0 is the atomic density, A is the average transition probability, hn is the average photon energy, V is the average excitation voltage, T is the temperature, and e is Elementary charge, k is Boltzmann's constant. In this equation, using values such as the average value, but have given P r, however, considering the actual state of the lamp, it is challenging In obtaining these values, requiring yet enormous time . Therefore, in the study of the present invention, for convenience, the density of the lamp enclosure was substituted for the atomic density n 0 , and the ionization voltage of the enclosure was substituted for the average excitation voltage. The average was substituting the ionization potential of the enclosure as the excitation voltage is the fact that the excitation voltage is distributed at about 5-10% of the ionization potential of the atom. Then, a lamp was manufactured specifically, and the condition of the expression (1) of claim 4 was obtained based on the result of an experiment on the formation of a high-pressure plasma luminescent sphere . That is, when the electromagnetic wave energy is P (W), the inner volume of the arc tube is v (cm 3 ), the density of the enclosure is n 0 (pieces / cm 3 ), and the ionization voltage of the enclosure is Vi (eV), P / v ≦ 4.39 × 10 - 11 × n 0 × exp (-1.39Vi)
It has been found that, when the relational expression is satisfied, the electrodeless discharge lamp emits light in a state where the high-pressure plasma light-emitting sphere is separated from the tube wall.
[0006]
In the present application, a high-pressure plasma light-emitting region formed in a spherical shape is referred to as a high-pressure plasma light-emitting sphere. That the high-pressure plasma luminous sphere separates from the tube wall of the arc tube means that the temperature distribution from the center position of the arc tube to the tube wall has an inflection point on the way. FIG. 2 schematically shows the temperature distribution in the arc tube. In FIG. 2, when the vertical axis indicates the temperature and the horizontal axis indicates the distance from the tube wall of the arc tube, the conventional electrodeless discharge lamp forcibly cools the outer surface of the arc tube. The temperature has dropped rapidly. On the other hand, in the present invention, even without forced cooling, as shown by the solid line A, the temperature near the tube wall of the arc tube is substantially the same as that of the tube wall, and the temperature suddenly increases toward the light emission center at the inflection point C. The temperature distribution is such that the temperature rises.
[0007]
The invention according to claim 2 is that, as the enclosure, Al, Fe, Hf, In, Ce, Gd, Sc, Sn, Hg, Pr, Eu, Tl, Dy, Er, Zn, and Yb, which emit visible light. 2. An electrodeless discharge lamp device according to
[0008]
The invention according to
[0011]
The invention according to claim 4 is the electrodeless discharge lamp device according to claim 2, wherein the filling contains mercury (Hg) and the amount of Hg is 1 kg / m 3 or more. .
[0012]
The invention according to
[0013]
The invention according to
[0014]
The invention according to claim 7 is characterized in that, in addition to the substance according to
[0015]
The invention according to
[0016]
According to a ninth aspect of the present invention, as a means for controlling the position of the high-pressure plasma light-emitting sphere, the position of the light-emitting portion is detected, the magnetic field is changed by a coil provided outside the light-emitting tube, and the light-emitting portion is controlled. The electrodeless discharge lamp device according to any one of
[0017]
According to a tenth aspect of the present invention, as a means for controlling the position of the high-pressure plasma light emitting sphere, a place where the electric field strength is strong is generated in the microwave resonance chamber, and the place where the electric field strength is strong and the center position of the arc tube. The electrodeless discharge lamp device according to any one of
[0018]
The invention according to claim 11 as a means for controlling the position of the high-pressure plasma fireball, to claim 1 0, characterized in that to produce a reflected wave to produce a standing wave microwave resonance chamber An electrodeless discharge lamp device as described above.
[0019]
According to a twelfth aspect of the present invention, as means for controlling the position of the high-pressure plasma light emitting sphere, a wall surface located on the electromagnetic wave energy supply side of the microwave resonance chamber so as to generate a strong electric field in the microwave resonance chamber. it it is an electrodeless discharge lamp device according to
[0020]
According to a thirteenth aspect of the present invention, as the means for controlling the position of the high-pressure plasma light-emitting sphere, a part of the microwave resonance chamber is formed as a concave reflecting mirror so as to generate a strong electric field in the microwave resonance chamber. An electrodeless discharge lamp device according to
[0021]
The invention according to
[0022]
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided an electrodeless discharge lamp used in the electrodeless discharge lamp device according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein the inner surface of the arc tube has an acute angle recess. It is a discharge lamp.
[0023]
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided an electrodeless discharge lamp used in the electrodeless discharge lamp device according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein the electrodeless discharge lamp has at least one protrusion on the outer surface of the arc tube. Electrodeless discharge lamp.
[0024]
[Action]
Luminescent substances, such as Hg, Xe, and metal halides, increase in absorption coefficient and increase radiation loss when the pressure in the discharge vessel increases. To reduce losses, the plasma contracts and moves away from the tube wall.
[0025]
The contracted high-pressure plasma luminous sphere tends to move upward due to buoyancy. The non-contact means (static magnetic field, electrostatic field, or changing electromagnetic field, means such as acoustic resonance) can place the high-pressure plasma luminous sphere away from the arc tube wall.
[0026]
By separating the high-pressure plasma luminous bulb from the inner surface of the luminous tube, the thermal load on the luminous tube is reduced, so that devitrification of the luminous tube can be suppressed and the life of the lamp is extended.
[0027]
Compared with a conventional electrodeless lamp in which a high-pressure plasma arc tube is in contact with the arc tube, the heat load on the arc tube is small, so that the cooling condition is simplified.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The configuration of the electrodeless discharge lamp device of the present invention will be described with reference to FIG.
An
[0029]
Translucent ceramics such as quartz glass, alumina, and YAG are used as the arc tube material.
As the encapsulant, Al, Fe, Hf, In, Ce, Gd, Sc, Sn, Hg, Pr, Eu, Tl, Dy, Er, Zn, Yb, Lu, Ti, Zr, La, which emit visible light, A substance containing at least one of Na, Li, and Xe is encapsulated, or at least one of Fe, Ga, Tl, Sb, In, Pb, Bi, and Hg that emits ultraviolet light is encapsulated.
[0030]
In particular, when mercury (Hg) is contained as the inclusion, the Hg amount is desirably 1 kg / m 3 or more. This is to reduce the loss due to heat conduction.
Further, when the encapsulant contains xenon (Xe), the encapsulation pressure of Xe at 25 ° C. is desirably 1.5 MPa or more. This is to reduce the loss due to heat conduction.
[0031]
Further, in addition to the above-mentioned substance that emits visible light, a substance that has a high vapor pressure and contributes to electric conduction can be enclosed as an enclosure.
Also, when the substance that emits ultraviolet light is selected as the enclosure, it is also possible to enclose a substance having a high vapor pressure and contributing to electric conduction in addition to the substance that emits ultraviolet light. This is because, when a substance having a high vapor pressure and contributing to electric conduction is enclosed, the electric conductivity is improved, and the high-pressure plasma light-emitting sphere is easily lit.
[0032]
The means for controlling the position of the high-pressure plasma light-emitting sphere will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 shows that the position of the light-emitting portion is detected by a light-emitting sphere position detecting mechanism 7 such as a CCD camera. A current is supplied from a
[0033]
As a means for controlling the position of the high-pressure plasma light-emitting sphere, the intensity of the external electromagnetic energy is periodically modulated as shown in FIG. The intensity modulation of the external electromagnetic energy is adjusted to the resonance frequency inherent to the lamp in relation to the object / enclosure pressure, causing acoustic resonance to produce a standing wave of gas density in the arc tube, The position of the high-pressure plasma luminous sphere can be controlled near the node. In FIG. 4, the high-pressure plasma luminous sphere in the
[0034]
Note that to periodically modulate the intensity of the external electromagnetic energy means to periodically change the amplitude of the frequency of the external electromagnetic energy.
[0035]
Alternatively, as a means for controlling the position of the high-pressure plasma light emitting sphere, a place where the electric field strength is strong in the microwave resonance chamber and the center position of the arc tube is matched with the place where the electric field strength is strong. . In order to generate a place where the electric field strength is strong in the microwave resonance chamber, and to make the place where the electric field strength is strong and the center position of the arc tube coincide with each other, the microwave is generated so as to generate a standing wave in the microwave resonance chamber. The reflected wave may be generated using the wall of the resonance chamber.
Producing a reflected wave to produce a standing wave means, for example, changing a matching state in a microwave resonance chamber by a matching unit to create a mismatched state.
[0036]
As shown in FIG. 5, even when a plurality of
[0037]
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, a part of the microwave resonance chamber 2 may be formed as a concave reflecting
[0038]
Then, a metal or a substance having a high dielectric constant is preferably provided in the microwave resonance chamber.
This is because a portion having a high electric field strength can be generated by a metal or a substance having a high dielectric constant.
Specifically, it is effective to place a substance such as metal or ceramics near the lamp. FIG. 10 shows a schematic diagram. A high dielectric
[0039]
FIGS. 8 and 9 show examples of the shape of the arc tube of the electrodeless discharge lamp used in the electrodeless discharge lamp device according to the present invention. By providing at least one
[0040]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described in detail.
<Example 1>
In the electrodeless discharge lamp device shown in FIG. 1, a spherical arc tube made of silica glass (outer diameter 20φ, wall thickness 2.0mm (inner diameter 16φ)) was used as the
[0041]
The electromagnetic wave energy (P) is 500 W, the inner volume (v) of the arc tube is 2.14 cm 3 , the electromagnetic wave energy density (P / v) is 234 W / cm 3, and the inclusion density (n 0 ) is 3.01 × 10 19 (pieces / piece). cm 3), the ionization potential of mercury Vi (eV) is 10.4EV, in formula (1) according to claim 4 4.39 × 10 - 11 × n 0 × exp (-1.39Vi) = 4.39 × 10 - 11 × 3.01 × 10 19 × exp (-1.39 × 10.4) = 696W /
[0042]
<Example 2>
In the electrodeless discharge lamp device shown in FIG. 6, a spherical arc tube made of silica glass (outer diameter 20φ, wall thickness 2.0mm (inner diameter 16φ)) was used as the
Under natural air cooling conditions, the arc tube could be turned on without devitrification or swelling.
[0043]
The electromagnetic wave energy (P) is 500 W- (minus) 100 W, net 400 W, the arc tube inner volume (v) is 2.14 cm 3 , and the electromagnetic wave energy density (P / v) is 187 W / cm 3 . The filling material density (n 0 ) is 1.51 × 10 19 (pieces / cm 3 ), the ionization voltage of mercury is Vi (eV) is 10.4 eV, and in formula (1) according to claim 4, 4 .39 × 10 - 11 × n 0 × exp (-1.39Vi) = 4.39 × 10- 11 × 1.51 × 10 19 × exp (-1.39 × 10.4) = 349W /
[0044]
<Example 3>
A lamp in which hafnium iodide (HfI 4 ) was sealed instead of mercury was manufactured. In the electrodeless discharge lamp device shown in FIG. 6, a spherical arc tube made of silica glass (outer diameter: 20φ, wall thickness: 2.0 mm (inner diameter: 16φ)) was used as the
[0045]
The electromagnetic wave energy (P) is 1000 W, the arc tube inner volume (v) is 2.14 cm 3 , and the electromagnetic wave energy density (P / v) is 467 W / cm 3 . The filling material density (n 0 ) is 1.49 × 10 18 (pieces / cm 3 ), the ionization voltage of hafnium is Vi (eV) is 7.0 eV, and in the formula (1) according to claim 4,
4.39 × 10 −11 × n 0 × exp (−1.39Vi)
= 4.39 × 10 −11 × 1.49 × 10 18 × exp (−1.39 × 7.0)
= 3890 W / cm 3 > 467 W / cm 3 , thereby satisfying the expression (1).
[0046]
<Comparative example>
For comparison with the above example, the electrodeless discharge lamp was turned on under the condition that the expression (1) of claim 4 was not satisfied.
In the electrodeless discharge lamp device shown in FIG. 6, a spherical arc tube made of silica glass (outer diameter 20φ, wall thickness 2.0mm (inner diameter 16φ)) is used as the
[0047]
In the formula (1) according to claim 4, the electromagnetic wave energy (P) is 200 W, the arc tube inner volume (v) is 2.14 cm 3 , and the electromagnetic wave energy density (P / v) is 93.5 W / cm 3 . The density of the enclosure (n 0 ) is 3.01 × 10 18 (pieces / cm 3 ), the ionization voltage of mercury is Vi (eV) is 10.4 eV, and the equation (1) is
4.39 × 10 −11 × n 0 × exp (−1.39Vi)
= 4.39 × 10 −11 × 3.01 × 10 18 × exp (−1.39 × 10.4)
= 69.6 W / cm 3 . This was higher than the power density of 93.5 W / cm 3 , and did not satisfy the expression (1).
In this case, the high-pressure plasma luminous sphere in the electrodeless discharge lamp was in contact with the arc tube wall.
[0048]
In the embodiment of the present invention, a microwave source has been described as the electromagnetic energy supply means, but high frequency energy can also be used as the electromagnetic energy.
Although the electrodeless discharge lamp device of the present invention can be used for general lighting applications such as store lighting, it can be used as a light source such as a liquid crystal projector or a fiber lighting light source in combination with an optical system by forming a point light source. May be used.
[0049]
【The invention's effect】
According to the electrodeless discharge lamp device of the present invention, even when the pressure of the luminescent material is high, the high-pressure plasma luminescent sphere shrinks so as to reduce the radiation loss, separates from the tube wall, and reduces the heat load on the luminous tube. As a result, devitrification of the arc tube can be suppressed, and the life of the lamp is extended.
[0050]
Further, the electrodeless discharge lamp of the present invention has a smaller heat load on the arc tube as compared with a conventional electrodeless discharge lamp in which a high-pressure plasma arc tube is in contact with the arc tube, so that cooling of the lamp is simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an electrodeless discharge lamp device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a temperature distribution from a tube wall in a light emitting tube to a light emitting center.
FIG. 3 is a configuration diagram of an electrodeless discharge lamp device according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of an electrodeless discharge lamp device according to the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of an electrodeless discharge lamp device according to the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of an electrodeless discharge lamp device according to the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of an electrodeless discharge lamp device according to the present invention.
FIG. 8 shows an example of an arc tube shape of the electrodeless discharge lamp according to the present invention.
FIG. 9 shows an example of an arc tube shape of the electrodeless discharge lamp according to the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of an electrodeless discharge lamp device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
Claims (16)
電磁波エネルギーをP(W)、発光管内容積をv(cm 3 )、封入物密度をn 0 (個/cm 3 )、封入物の電離電圧をVi(eV)としたときに、式(1)
P/v≦4.39×10 − 11 ×n 0 ×exp(−1.39Vi)
の関係を満たすことを特徴とする無電極放電ランプ装置。An electrodeless discharge lamp in which an encapsulant that generates a high-pressure plasma luminous bulb away from the arc tube is enclosed inside an arc tube made of a translucent material, and electromagnetic energy is supplied from outside the electrodeless discharge lamp. Electromagnetic energy supply means for supplying the electrodeless discharge lamp, and means for controlling the position of the high-pressure plasma luminous sphere,
When the electromagnetic wave energy is P (W), the inner volume of the arc tube is v (cm 3 ), the density of the enclosure is n 0 (pieces / cm 3 ), and the ionization voltage of the enclosure is Vi (eV), the equation (1) is obtained.
P / v ≦ 4.39 × 10 - 11 × n 0 × exp (-1.39Vi)
An electrodeless discharge lamp device characterized by satisfying the following relationship:
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