JP4958206B2 - 放電ランプユニット - Google Patents
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Description
本発明は、発光に水銀や蛍光体を用いない無電極形の放電ランプユニットに関する。
従来の気体放電を利用した光源すなわち放電ランプでは、スペクトル出力を調整するために水銀または水銀塩が使用されている。このため使用済みの放電ランプを廃棄した場合には、外界に水銀が放出され環境を汚染するといった懸念があり、地球環境の保全と言う観点から水銀を使用しない光源の開発が強く求められている。
また、従来の放電ランプはランプ内に電極を有しており、長期間点灯・消灯を繰り返すことによって電極が消耗し寿命が尽きるようになる。このため、従来の放電ランプでは長寿命化を図るのが困難であるという問題があった。
このような状況を踏まえ、水銀を使用せず且つランプ内部に電極を設けない放電ランプとして、透光性の放電容器内に容積比で５０％以下のキセノンと残部アルゴンとの混合希ガスを封入し、高周波電磁界によって前記混合希ガスを放電・発光させると共に、当該発光を放電容器内面に塗布した蛍光体によって可視光(つまり白色発光)に変換してなる放電ランプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
かかる技術によれば、水銀または水銀塩を使用していないため、水銀による環境汚染の問題を解消することができ、また、放電容器内部に電極を有していないため、電極劣化に伴うランプ寿命の低下を防止することはできる。しかしながら、白色発光を得るために蛍光体を使用していることから、ランプの寿命が蛍光体の寿命によって一義的に決められてしまうという問題があった。また、このような希ガス蛍光ランプは、従来の水銀蛍光ランプに比べて輝度が極端に低いという欠点もあった。
一方、水銀を使用せず且つランプ内部に電極を設けないことに加え、蛍光体を使用せずに放電容器内の充填物自体を発光させる技術として、透光性の容器に一次活性成分である硫化硼素と不活性ガスまたは窒素とを充填し、これに高周波電力を与えることによって発光プラズマ放電を生じさせる放電ランプが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
かかる技術によれば、一次活性成分である硫化硼素自体を発光させるので蛍光体は不要となるが、放電容器の中に硫化硼素のほかに不活性ガスまたは窒素を封入しなければならない。さらに、硫化硼素は８１２ｎｍのピーク発光を持つ黄色から近赤外のスペクトル範囲で発光するものであることから、白色発光を得るためには放電容器内に少量のメタルハライドを加えなければならない。このように放電容器内に二種類以上の物質を封入する技術では、放電ランプの製造に際して、放電容器内に封入する各物質の管理が要求されると共に、製造工程が複雑になるという問題があった。
特開平５−２２５９６０号公報
特開平９−２１３２８２号公報
それゆえに、本発明の主たる課題は、水銀や蛍光体を使用せず且つランプ内部に電極を有しないことに加え、極めて簡単な構造で高輝度の白色発光が可能であると共に、寿命の長い放電ランプユニットを提供することにある。
請求項１に記載した発明は、「発光に水銀や蛍光体を用いない無電極形の放電ランプユニットであって、放電管１２ａに希ガスＧを封入した放電ランプ１２と、放電管１２ａの外周に巻回された誘導コイル１４と、誘導コイル１４に高周波電流を供給する高周波電源装置１６とを備え、誘導コイル１４に生じた磁界で希ガスＧをプラズマ化して発光させる放電ランプユニット１０において、希ガスＧがキセノンガスであり、且つ放電管１２ａへの封入圧が２５〜６５Ｐａの範囲である」ことを特徴とする放電ランプユニット１０である。
また、請求項２に記載した発明は、「発光に水銀や蛍光体を用いない無電極形の放電ランプユニットであって、放電管１２ａに希ガスＧを封入した放電ランプ１２と、放電管１２ａの外周に巻回された誘導コイル１４と、誘導コイル１４に高周波電流を供給する高周波電源装置１６とを備え、誘導コイル１４に生じた磁界で希ガスＧをプラズマ化して発光させる放電ランプユニット１０において、希ガスＧがアルゴンガスであり、且つ放電管１２ａへの封入圧が１５０〜１０００Ｐａの範囲である」ことを特徴とする放電ランプユニット１０である。
これらの発明では、誘導コイル１４に高周波電流を供給すると、放電管１２ａの軸方向に交番磁界が発生し、ファラデーの法則により、この交番磁場は円周方向の２次電界を形成する。そして、放電管１２ａ内の偶存電子がこの２次電界によって加速され、加速した偶存電子と希ガスＧとの間で衝突電離が起こり放電を生じる。つまり、誘導コイル１４に生じた磁界によって放電管１２ａに封入された希ガスＧがＩＣＰ(誘導結合プラズマ)モードでプラズマ化して可視光を発光する。
ここで特筆すべき点は、放電管１２ａに封入した希ガスＧの封入圧をキセノンガスの場合には２５〜６５Ｐａの範囲に、また、アルゴンガスの場合には１５０〜１０００Ｐａの範囲にしている点である。かかる構成により、低い放電開始電圧にて輝度の高い可視領域の連続発光、すなわち白色発光を得ることができる。このため、放電ランプ１２の発光に際して、水銀や蛍光体或いはメタルハライドなどが不要となる。また、希ガスＧとしてキセノンガス又はアルゴンガスの何れを用いた場合であっても、放電管１２ａの内部に封入する希ガスＧの封入圧をこのような低圧にすることによって、放電管１２ａが破損した際に爆発が生じるのを防止することができる。
請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載の放電ランプユニット１０において、「放電管１２ａに互いに対向する一対の補助電極３２を取り付けた」ことを特徴とするもので、これにより、放電管１２ａ内に封入した希ガスＧの放電開始電圧が高い場合であっても、補助電極間で予備放電を開始させることにより、放電ランプ１２の点灯を容易に行なうことができる。
請求項４に記載した発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプユニット１０において、「誘導コイル１４を絶縁物で被覆すると共に、放電管１２ａに対して二重以上に重ねて巻回した」ことを特徴とするもので、これにより、放電ランプ１２の単位長さあたりに誘導コイル１４を流れる電流の量が２倍以上となり、プラズマを励起するための磁界強度が増加し、放電管１２ａが発する光の輝度を向上させることができる。
本発明によれば、放電管の外周に巻回された誘導コイルに高周波電流を供給し、放電管内に封入した希ガスをＩＣＰモードで発光させ、これを光源としているので、放電ランプの発光に水銀，蛍光体および内部電極が不要となり、放電ランプの長寿命化を図ることができると共に、放電ランプユニットの構造を簡単にすることができる。
また、特に放電管に封入する希ガスの封入圧をキセノンガスの場合には２５〜６５Ｐａの範囲、また、アルゴンガスの場合には１５０〜１０００Ｐａの範囲としているので、高い輝度にて可視領域の連続発光を得ることができると共に、放電管が破損した際に爆発が生じるのを防止することができる。
したがって、水銀や蛍光体を使用せず且つランプ内部に電極を有しないことに加え、極めて簡単な構造で高輝度の白色発光が可能であると共に、寿命の長い放電ランプユニットを提供することができる。
以下、本発明の放電ランプユニットを図面に従って詳述する。図１は、本発明の一実施例(第1実施例)の放電ランプユニット１０を示す正面図であり、図２は、その点灯回路図である。このように本発明の放電ランプユニット１０は、大略、放電ランプ１２と、誘導コイル１４と、高周波電源装置１６とで構成されている。
放電ランプ１２は、耐熱性と気密性とに優れたパイレックス（登録商標）ガラスや石英ガラスなどの光透過性材料からなる密閉円筒状の放電管１２ａを有しており、放電管１２ａの内部には希ガスＧ、具体的にはキセノン(Ｘｅ)ガス又はアルゴン(Ａｒ)ガスの少なくとも一方が封入されている。
この放電管１２ａの大きさ及び形状は特に限定されるものではなく、目的とする照明用途に応じて適宜選択可能であるが、その際、放電管１２ａの内径Ｄに関しては、図３に示すように、内径Ｄが細くなるに従って放電ランプ１２の発する光の輝度が向上する点を考慮する必要がある。なお、図３に示した結果を得るべく本発明者らが行なった実験の方法は以下の通りである。すなわち、内径Ｄが異なる複数(１４ｍｍ，１７ｍｍ及び２１ｍｍ)のパイレックス（登録商標）ガラス製の直管形放電管１２ａを準備し、この内部に希ガスＧとしてキセノンガスを３９．９Ｐａの封入圧で封入して放電ランプ１２を形成すると共に、この放電ランプ１２の外周にφ１．６ｍｍの銅線を５ｍｍピッチで４回巻回した誘導コイル１４を取着した。そして、放電ランプ１２の誘導コイル１４に周波数を１３．５６ＭＨｚ〜２８ＭＨｚの間で変化させた７０Ｗの電力を供給し、当該放電ランプ１２の発する光の輝度を測定した。なお、輝度の測定は、輝度計(ＴＯＰＣＯＮ社製ＢＭ−７)を用い、放電ランプ１２までの距離５００ｍｍ、視野角０．２°の条件で行なった。
また、放電管１２ａの内部に封入する希ガスＧの封入圧は、キセノンガスの場合には２５〜６５Ｐａの範囲、またアルゴンガスの場合には１５０〜１０００Ｐａの範囲であるのが好ましい。希ガスＧの封入圧をこのような範囲とすることによって、実用上十分な輝度を得ることができるようになるからである。
ここで、上記希ガスＧの封入圧の範囲を設定するに当たって、以下のような実験を行なった。すなわち、内径Ｄ２６ｍｍ(肉厚２ｍｍ)，長さ２５０ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラス製の直管形放電管１２ａを複数本準備し、各放電管１２ａの内部に封入圧が２６．６Ｐａ(０．２Ｔｏｒｒ)，３９．９Ｐａ(０．３Ｔｏｒｒ)，７８．９Ｐａ(０．６Ｔｏｒｒ)，１３３Ｐａ(１Ｔｏｒｒ)，２６６Ｐａ(２Ｔｏｒｒ)，１．３３ｋＰａ(１０Ｔｏｒｒ)および６．６５ｋＰａ(５０Ｔｏｒｒ)となるようにキセノンガス(希ガスＧ)を封入して放電ランプ１２を作製した。また、同様にしてアルゴンガスを封入した放電ランプ１２も作製した。そして、これら各放電ランプ１２の外周に直径φ１．６ｍｍの銅線を５ｍｍピッチで４回巻回した誘導コイル１４を取着し、然る後、放電ランプ１２の誘導コイル１４に周波数が１３．５６ＭＨｚで且つ１００Ｗの電力を供給し、当該放電ランプ１２の発する光の輝度を測定した。なお、輝度の測定は上述と同様の方法で行なった。かかる実験により得られた結果を図４及び図５に示す。
図４に示すように、放電管１２ａに封入したキセノンガスの封入圧が２５〜６５Ｐａの範囲(図４における薄墨部分)である場合、放電ランプ１２の発する光の輝度は概ね１０,０００ｃｄ／ｍ2以上となり、実用上十分な輝度を得ることができる。これに対し、キセノンガスの封入圧が２５Ｐａ未満の場合、或いは６５Ｐａより高い場合には、放電ランプ１２の発する光の輝度が低下するようになる。
また、図５に示すように、放電管１２ａに封入したアルゴンガスの封入圧が１５０〜１０００Ｐａの範囲(図５における薄墨部分)である場合、放電ランプ１２の発する光の輝度は概ね２,０００ｃｄ／ｍ2以上となり、十分な輝度を得ることができる。これに対し、アルゴンガスの封入圧が１５０Ｐａ未満の場合、或いは１０００Ｐａより高い場合には、放電ランプ１２の発する光の輝度が低下するようになる。
このように希ガスＧの封入圧に応じて輝度が変化するのは放電管１２ａ内における電子加熱機構の違いによるものと考えられる。具体的には、キセノンの封入圧が２５〜６５Ｐａの範囲にある場合やアルゴンガスの封入圧が１５０〜１０００Ｐａの範囲にある場合、封入ガス密度が小さいため、無衝突加熱が支配的となり、これに何らかの加熱機構が加わって高い輝度の発光が得られるものと考えられる。
誘導コイル１４は、銅線や銅箔などの導電性材料をヘリカル方式で巻回して放電管１２ａの外周に取着される部材であり、電流を流すことによって磁界を発生させ放電管１２ａ内にプラズマを生起させるものである。
高周波電源装置１６は、誘導コイル１４に向けて所定の高周波電流を供給するためのものであり、高周波電源１６ａと、この高周波電源１６ａに電気的に接続され、高周波による電力反射を抑制する、つまり誘導コイル１４と高周波電源１６ａとの間でインピーダンス整合を取るための容量性の整合回路を備えたマッチングボックス１６ｂとで構成されている。
以上のように構成された放電ランプユニット１０を組み立てる際には、まず、放電管１２ａに所定の封入圧でキセノンガス又はアルゴンガスといった希ガスＧを封入して放電ランプ１２を形成し、この放電ランプ１２の外周に誘導コイル１４を取り付ける。そして、誘導コイル１４と高周波電源装置１６とを同軸ケーブル１８などの配線で電気的に接続する。すると、図２に示すような点灯回路が形成された放電ランプユニット１０が完成する。
ここで、図２における２０は高周波電源１６ａに備えられている交流電源であり、２２は電源抵抗である。また、２４及び２６はマッチングボックス１６ｂが有する可変コンデンサである。そして、２８は放電ランプ１２内に現出するプラズマ内部インダクタンスであり、３０は同じく放電ランプ１２内に現出するプラズマ内部抵抗である。
次に本実施例の放電ランプユニット１０の作用について説明する。まず、図示しないスイッチをオンにして誘導コイル１４に高周波電流を供給すると、放電管１２ａの軸方向に交番磁界が発生し、ファラデーの法則により、この交番磁界は円周方向の２次電界を形成する。そして、放電管１２ａ内の偶存電子がこの２次電界によって加速され、加速した偶存電子とキセノンガス又はアルゴンガスとの間で衝突電離が起こり放電を生じる。つまり、誘導コイル１４に生じた磁界によって放電管１２ａに封入されたキセノンガス又はアルゴンガスがＩＣＰ(誘導結合プラズマ)モードでプラズマ化して発光する。
ここで、放電管１２ａとして内径Ｄが２６ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラス製の直管形放電管１２ａを準備し、この内部に希ガスＧとしてキセノンガスを３９．９Ｐａの封入圧で封入して放電ランプ１２を形成すると共に、当該放電ランプ１２の外周にφ１．６ｍｍの銅線を１０ｍｍピッチで４回巻回した誘導コイル１４を取着し、この誘導コイル１４に周波数が１３．５６ＭＨｚで且つ１００Ｗの電力を供給して当該放電ランプ１２を発光させた際の分光分布を図６に、また上記と同じ放電管１２ａに２６６Ｐａのアルゴンガスを封入して放電ランプ１２を形成すると共に、上記と同じ条件で電力を供給して放電ランプ１２を発光させた際の分光分布を図７に示す。
なお、分光分布の測定は、放電ランプ１２に対して垂直に配置した分光器(ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社製，ＵＳＢ２０００)で放電ランプ１２から出る波長毎の光の強さを測定した後、当該データをパーソナルコンピュータに取り込むことによって行なった。
図６が示すように、希ガスＧとしてキセノンガスを用いた場合には、放電管１２ａ内にメタルハライドなど他の物質を加えることなく、低い放電開始電圧にて輝度の高い白色発光を得ることができる。なお、当該放電ランプ１２の発する光の平均演色評価指数(Ｒａ)は９６であり、相関色温度は６０００Ｋであった。
また、図７が示すように、希ガスＧとしてアルゴンガスを用いた場合にも上記キセノンガスを用いた場合と同様に、放電管１２ａ内にメタルハライドなど他の物質を加えることなく、(キセノンガスを用いた場合に比べて若干輝度は劣るものの)低い放電開始電圧にて白色発光を得ることができる。
このように本実施例の放電ランプユニット１０によれば、誘導コイル１４に高周波電圧を印加すると、誘導コイル１４に生じた磁界によって放電管１２ａに封入されたキセノンガス又はアルゴンガスがＩＣＰ(誘導結合プラズマ)モードでプラズマ化して可視光を発光する。このため、放電ランプ１２の発光に際し、水銀や蛍光体が不要となる。
また、放電管１２ａに封入した希ガスＧの封入圧をキセノンガスの場合には２５〜６５Ｐａの範囲に、また、アルゴンガスの場合には１５０〜１０００Ｐａの範囲にしているので、高い輝度にて可視領域の連続発光を得ることができると共に、放電管１２ａが破損した際に爆発が生じるのを防止することができる。
そして、希ガスＧとしてキセノンガス又はアルゴンガスを用いているので、放電管１２ａ内にメタルハライドなど他の物質を加えることなく、低い放電開始電圧にて輝度の高い白色発光を得ることができる。
なお、上述の実施例では、放電管１２ａの外周に誘導コイル１４を一重に巻回する場合を示したが、誘導コイル１４をポリエステル樹脂やポリアミド樹脂或いは４フッ化エチレン樹脂などの絶縁物で被覆すると共に、放電管１２ａに対して二重以上に重ねて巻回するようにしてもよい。このようにすることで、誘導コイル１４を流れる電流の量が２倍以上となり、プラズマを励起するための磁界強度が増加し、放電管１２ａが発する光の輝度を向上させることができるからである。
また、上述の例では、希ガスＧとしてキセノンガス又はアルゴンガスを用いる例を述べたが、使用可能な希ガスＧはこれに限定されるものではなく、ネオンあるいは窒素やクリプトンなど他の希ガスＧであってもよいし、または、これら希ガスＧを二種以上混合して使用するようにしても良い。但し、これらの場合において放電管１２ａに封入する希ガスＧの封入圧については個別に設定する必要がある。
次に、図８に示す第２実施例の放電ランプユニット１０について説明する。上述した第１実施例のものと異なる点は、放電管１２ａの長手方向両端部に互いに対向する一対の補助電極３２を取り付けた点である。なお、これ以外の部分は前記第１実施例と同じであるので、前記第１実施例の説明を援用して本実施例の説明に代える。
補助電極３２は、導電性を有し、且つ１０００℃以上の融点を有する、チタン，鉄，ニッケル，ジルコニウム，モリブデン，タンタル，タングステンおよびニオブなどの高融点材料で構成された棒状の電極部材である。
この補助電極３２の一端は放電管１２ａの内部に挿設されており(いわゆる内部電極として構成されている)、他端は配線３４を介してトランスなどで構成された始動装置３６に接続されている。また、始動装置３６は途中にスイッチ３８が設けられた配線４０を介して高周波電源装置１６の高周波電源１６ａに接続されている。
続いて、以上のように構成された第２実施例の放電ランプユニット１０の作用について説明する。まず、スイッチ３８をオンにした状態で高周波電源装置１６を作動させると、始動装置３６に電力が供給され、この始動装置３６から補助電極３２に向けて電流が供給される。すると、放電管１２ａ内の補助電極３２間にパイロットアークが発生し、予備放電が開始される。一方、これと同時に、誘導コイル１４には高周波電流が供給されているので、放電管１２ａの軸方向に交番磁界が発生し、ファラデーの法則により、この交番磁界は円周方向の２次電界を形成する。すると、放電管１２ａ内の偶存電子がこの２次電界によって加速され、加速した偶存電子と予備放電を開始した希ガスＧとの間で衝突電離が起こり、希ガスＧがＩＣＰ(誘導結合プラズマ)モードでプラズマ化して可視光を発光する。そして、ＩＣＰモードでの発光が開始すると、スイッチ３８をオフにして補助電極３２への通電を停止する。
このように本実施例の放電ランプユニット１０によれば、放電管１２ａ内に封入した希ガスＧの放電開始電圧が高い場合であっても補助電極３２間に生じるパイロットアークによって予備放電が開始されているので、放電ランプ１２の点灯を容易に行なうことができる。
１０…放電ランプユニット
１２…放電ランプ
１２ａ…放電管
１４…誘導コイル
１６…高周波電源装置
１６ａ…高周波電源
１６ｂ…マッチングボックス
１８…同軸ケーブル
３２…補助電極
３６…始動装置
３８…スイッチ
１２…放電ランプ
１２ａ…放電管
１４…誘導コイル
１６…高周波電源装置
１６ａ…高周波電源
１６ｂ…マッチングボックス
１８…同軸ケーブル
３２…補助電極
３６…始動装置
３８…スイッチ
Claims (4)
- 発光に水銀や蛍光体を用いない無電極形の放電ランプユニットであって、放電管に希ガスを封入した放電ランプと、前記放電管の外周に巻回された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置とを備え、前記誘導コイルに生じた磁界で前記希ガスをプラズマ化して発光させる放電ランプユニットにおいて、
前記希ガスがキセノンガスであり、且つ前記放電管への封入圧が２５〜６５Ｐａの範囲であることを特徴とする放電ランプユニット。 - 発光に水銀や蛍光体を用いない無電極形の放電ランプユニットであって、放電管に希ガスを封入した放電ランプと、前記放電管の外周に巻回された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置とを備え、前記誘導コイルに生じた磁界で前記希ガスをプラズマ化して発光させる放電ランプユニットにおいて、
前記希ガスがアルゴンガスであり、且つ前記放電管への封入圧が１５０〜１０００Ｐａの範囲であることを特徴とする放電ランプユニット。 - 前記放電管に互いに対向する一対の補助電極を取り付けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の放電ランプユニット。
- 前記誘導コイルを絶縁物で被覆すると共に、放電管に対して二重以上に重ねて巻回したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプユニット。
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