JPH02121255A - 大きな陽極を有する高効率放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は一般に放電ランプに関する。さらに詳しくは
、この発明は、陽光柱と電極との間の電圧降下、すなわ
ち陽極降下を防１！−するのに十分な大きさの表面積を
有する陽極をａし、またその拡大陽極からの電子の放出
を防１１−できる高効率の放電ランプに関する。

発明の背景 通常の電極付き放電ランプには、３つの異なる放電領域
、すなわち陽極領域、陰極領域、およびこれら２つの電
極領域の間の陽光柱がある。はとんどの放電ランプでラ
ンプが発光する光の大部分は陽光柱からの放射でまかな
われる。対照的に、電極領域は多少は光を発生するもの
の、その効率は陽光柱と比べて名しく低い。したがって
、陽光柱に供給される全電力の割合を増加し、一方電極
領域に供給される全電力の割合を減らすことにより放電
ランプの総合効率を増加することができる。

陽光柱に供給される電力はランプ電流と陽極柱での電圧
降下との積である。同様に、２つの電極領域それぞれに
供給される電力は、ランプ電流と陽光柱および各電極間
の電圧降下との積である。したがって、これら３つの放
電領域すべてに同じランプ電流が流れるから、電極領域
における電力損失を減らすという目標は、陽極柱での電
圧降下に対して電極領域での電圧降下を小さくするとい
う目標になる。

周知の通り、陽極降ドの大きさは陽極の寸法に依存する
。その理由を説明すると、電圧降下の原因となる陽極の
まわりの負の空間電荷が、陽極表面積が増加するにつれ
て減少するからである。したがって、電子が陽極の空間
電荷の反発力に打勝つのに要するエネルギーが少なくな
る。こうして陽極降下の大きさは陽極の寸法の増加につ
れて減少する。しかし、１つの電極は動作用の交流電流
の゛１１サイクル毎に交互に陽極あるいは陰極として作
用するので、これまで陰極としての設計上の考慮から放
電ランプの電極を単に大きくすることはできなかった。

実際、これまで、電極は、電子放出体としての陰極の役
割が重要なので陰極としての動作に最適になるように設
計されており、陽極動作は二次的なものとみなされてき
た。さらに具体的に説明すると、破壊につながるスパッ
タリングを同避するためにランプの始動時に陰極を迅速
に熱電子放出温度まで加熱しなければならないので、陰
極の表面積が大きいことは望ましくない。

したがって、陰極設計を第一に考慮すべきことと考える
と、電極は、放電プラズマ中を熱速度で動いている電子
を陽極サイクルの間に捕集するのに十分なほど大きくな
く、したがってプラズマと陽極との間に加速電界を導入
する必要があり、したがって陽極降下が起こる。

たとえば、標準けい光ランプでは、当業界でよく知られ
た仕事関数の低い電子放出物質、たとえばアルカリ土類
金属酸化物で被覆されたタングステン電極の部分から電
子が放射される。その同じ電極が陽極として動作すると
き、電子は電子放出物質で被覆されていないタングステ
ン電極の部分ならびに被覆されていない電極支持ワイヤ
に捕集される。電子の捕集時に消費される電力は陽極降
下とランプ電流との積に等しい。この電力は電子が捕集
される電極部分を加熱する。この電力のほとんどは無駄
になる。なぜならば、電極の電子捕集部分は電子放出部
分とは構造的に異なり、比較的低効率で光を出すように
なっているからである。

さらに、高電流ランプでは、陽極サイクル中に放散され
る電力が電極構造の部分を望ましくない高温に加熱する
おそれがある。したがって、高電流けい光ランプによっ
ては、追加のワイヤ陽極を電極に溶接し、陽極表面積か
増し、これにより陽極の温度をドげている。しかし、こ
れらのワイヤ陽極では陽極降下を防止できない。

高光度放電ランプの電極構造は、けい光ランプのそれと
は相違するが、基本的動作は同様である。

すなわち、１つの電極が陽極および陰極の両方の作用を
なし、したがってその設計は陰極動作に最適になるよう
にされている。

放電ランプによっては、拡大陽極またはシールドＬ段を
用いて陽極降下を小さくしているものがある。これらの
構造では、通常、追加のグリッド状またはシールド状部
材を、陰極および陽極機能の両方の作用をなすランプ電
極の近傍に装着する。

しかし、これらのランプはいくつかの理由から広範には
使用されていない。まず第一に問題となるのは、拡大陽
極または追加構造部材が陰極動作中に陰極として作用す
ることである。たとえば、ランプの始動の際に、陽極は
陰極が熱電子モードで電子を放出するのに十分な熱さに
なるまで冷陰極として作用する。この明期冷陰極動作に
より、陽極からのスパッタリングが生じ、そのためラン
プ管壁が黒化する。さらに、陰極から蒸発またはスパッ
タする放出物質が陽極の上に堆積し、陽極の陰極動作を
促進し、その結果スパッタリングが一層起こりやすくな
る。スパッタリングはランプの先出力を減少するように
作用する。これらのランプでは陽極降下を小さくするこ
とはできても、なくすことはできない。これらのランプ
の全体的エネルギー節減はできるとしても僅かである。

発明の目的 したがって、この発明の目的は、陽極表面への放電電子
の熱拡散によりランプ動作電流を捕集するのに十分な大
きな表面積の陽極を有し、したがってプラズマと陽極と
の間に加速電位を必要とせすに動作し、したがってラン
プ効率を向上した新規な改良された放電ランプを提供す
ることにある。

この発明の別の目的は、それぞれ拡大陽極と陰極とから
なる電極対を別々に２対もち、それぞれの７ｊ５極がラ
ンプ効率を向上するのに最適な設計とされた新規な改良
ＡＣ放電ランプを提供することにある。

この発明の他の目的は、２対の電極を有し、各対が大き
な陽極を含み、さらに破壊につながるスパッタリングを
回避するために陽極が陰極動作中に陰極として作動する
のを防止する手段を有する改良放電ランプを提供するこ
とにある。

発明の要旨 本発明のこれらの目的および他の目的を達成する新規な
高効率放電ランプは、従来の放電ランプに用いられてい
た陽極よりも著しく大きい陽極を有する。本発明によれ
ば、放電ランプは別々の２対の電極を有し、各電極対は
、陽光柱と電極との間の電圧降下、すなわち陽極降下を
回避するのに十分な大きい表面積の陽極を含み、この結
果ランプ効率を向ヒさせる。

好適な実施態様では、拡大陽極は、陰極を収容するため
に中心に楕円形の孔のあいたディスクからなる。ディス
クは水銀と反応しない廉価な高反射性金属で構成するの
が好ましい。さらにこの金属は製造時の高温に耐えるも
のでなければならない。このような特性を自゛する金属
としてはニッケルが適当である。この発明の新規な放電
ランプの別の実施態様では、拡大陽極が陰極を囲む楕円
形の金属帯からなる。

さらにこの発明によれば、ダイオードを各陽極と直列に
接続して、陽極が陰極動作中に陰極として動作するのを
防止し、これにより破壊につながるスパッタリングを回
避する。

この発明の特徴および効果は、以下の図面を参照した詳
細な説明から明らかになるだろう。

発明の詳細な説明 第１図および第２図に、この発明にしたがって構成した
けい光ランプの好適な実施例を１０で総称して示す。こ
のけい光ランプ１０は、内部にけい光体被覆１４が被着
された管状の光透過性エンベロープ１２を含む。しかし
、管状以外の他の断面形状を用いることもできる。通常
のけい光ランプと同様、エンジン１２は排気され、過剰
量の水銀を含む。その他に、エンベロープ１２内にはガ
ス状放電媒体１６が封入される。このガス状放電媒体１
６は、ネオン、クリプトン、アルゴンよりなる群から選
ばれる希ガスまたはこれらの混合物である。

エンベロープ１２の各端部には１対の電極（１８，２０
）が配置される。各電極対は陽極１８と陰極２０とから
なる。この発明によれば、各陽極１８は、放電の陽光柱
（図示せず）と陽極１８との間の電圧降下を防１４ｍす
るのに十分な大きな表面積を有する。この電圧降下を以
下、陽極降下と称する。

この発明の好適な実施例では、第１図および第２図に示
すように、拡大陽極１８は金属ディスクからなる。各デ
ィスクには対応する陰極２０を装着するための楕円形の
孔２２が設けられている。

拡大陽極１８はそれぞれ、ランプ１０のクリンプ部２６
に固着された少なくとも１本のワイヤ２４によって装青
されている。ディスク１８は、水銀と反応しない安価な
高光反射性金属から形成するのか好ましい。さらにディ
スク金属は製造時の高ｌＨに耐えられなければならない
。これらの特性を釘する金属としてはニッケルが適当で
ある。図示のように、金属ディスク１８は陰極２０より
わずかに後に装着して陰極の動作を妨害しないようにす
る。

別の実施例では、第３図および第４図に示すように、各
拡大陽極１８′　は、対応する陰極２０を包囲するか該
陰極に隣接する楕円形の金属帯（バンド）から構成され
る。なお、ここでは拡大陽極の構造として２つの形状１
８．１８’　を示しただけであるが、この発明の原理は
これらとは異なる形状の拡大陽極にも適用できる。

この発明のランプ１０は従来のランプの単一電極構造で
はなく別々の陽極および陰極を有するので、最適な陽極
寸法を陰極動作を考慮することなく決定できる。ジョン
Ｆ、ウェイマス著「放電ランプ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄ
ｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｌａｍｐｓ）　Ｊ　Ｍ　Ｉ　Ｔブレ
ス社刊、１９７８年７２頁に記載されているように、陽
光柱を生成する挙動を示す電子は球対称なマクスウェル
速度分布を有する。これらの電子は代表的には平均エネ
ルギー約１ボルト、対応温度的１１４００’にである。

マクスウェル統計学によれば、表面積Ａの平板を放電プ
ラズマ中に置いて、プラズマの電位に維持すると、電子
のランダム熱運動に基づく電子のランダム電流ｉＲが捕
集され、これは次式で計算できる。

ここで、ｅは電子型１．：ＩＣ１，６０２Ｘ１０−１９
クロン）、ｎｅは電子密度（約２　Ｘ　１０１７／ｍ’
　）、にはボルツマン定数（１，３８１Ｘ１０−２３ジ
ユール／　＠Ｋ）　、Ｔｅは電子温度（約１１４００＠
Ｋ）、そしてｍ６は電子質ｍ（９，１０７Ｘ１０”　ｋ
ｇ）である。

この発明によれば、上式にしたがって計算した表面積Ａ
の陽極を用いると、その陽極の表面積は放電プラズマ中
をそれぞれの熱速度で動いている電子を捕集するのに十
分な大きさである。したがって、プラズマと陽極との間
に加速電界を与える必要がなくなる。すなわち陽極降下
が回避される。

好適な実施例では、ディスクは、片面が４−式の面積Ａ
を与えるのに十分な大きさにする。

具体的には、０．４３Ａ（アンペア）の電流で動作する
ランプでは、陽極降下をなくすためには、片面の表面積
が約０．７９ｅ−の陽極が必要である。

この表面積は中実なディスクの直径約１　ｃｒｎに相当
する。この発明にしたがって陽極１８を構成するには陰
極２０を収容するために孔２２を設けるので、陰極挿入
用孔の面積をＦｉｉｉ償するぶん、上で計算した陽極デ
ィスクの直径を大きくしなければならない。第２の実施
例の楕円帯形状の陽極１８′の面積も−Ｌ述したｉＲに
ついての式から計算する。

この発明によれば、ダイオード２８を各陽極１ｇ、１８
’　と直列に配線して、陽極が陰極動作中に電子を放出
するのを防止する。これらのダイオード２８がないと、
主として２つの場合に陽極の望ましくない陰極動作が生
じる。第一に、ランプを始動する際に、金属陽極は、陰
極が熱電子モトで７に子を放出するのに十分な熱さにな
るまで、冷陰極として作用する。この切期冷陰極作用に
より陽極からのスパッタリングが生じ、管壁が黒化する
。第二に、陰極から蒸発またはスパッタする放出物質が
陽極に堆積し、陽極の陰極動作を促進し、その結果スパ
ッタリングか一層起こりやすくなる。

この発明の好適な実施例を図示し説明したが、これらは
典型例として示したにすぎないことが明らかであろう。

当栗青であれば、この発明の要旨を逸脱せぬ範囲内で種
々の変更や変形を考えることができる。したかって、こ
の発明は特許請求の範囲によって限定されるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にしたがって構成したけい光ランプを
一部破断して小ず側面図、 第２図は第１図の２−２線方向に見た断面図、第３図は
この発明にしたがって構成したけい光ランプの別の実施
例を一部破断して示す側面図、そして 第４図は第３図の４−４線方向に見た断面図である。 ［符号の説明］ １０；ランプ、　　　　１２：エンベローブ、１４：け
い光体被覆、１６．放電媒体、１８、　１８’　　：陽
極、２０：陰極、２２・孔、　　　　　　２４：ワイヤ
、２６：クリンプ部、 ２８：ダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガス状放電媒体を封入した光透過性エンベロープと
   、 上記エンベロープ内に密封された相互に離間した２対の
   電極であって、各電極対は近接配置した陰極と拡大陽極
   とからなり、各拡大陽極の表面積がランプ動作中に陽光
   柱と各拡大陽極との間の電圧降下を防止するのに十分な
   大きさを有する２対の電極と、 上記各拡大陽極の表面からの電子の放出を防止する電子
   手段と、を備える放電ランプ。 ２、上記電子手段が上記各拡大陽極と直列にそれぞれ接
   続されたダイオードを含み、各ダイオードの負端子が対
   応する１つの拡大陽極に電気接続され、各ダイオードの
   正端子が対応する電極対の陰極に電気接続されている請
   求項１に記載の放電ランプ。 ３、上記各拡大陽極が光反射性金属のディスクで構成さ
   れ、該ディスクには対応する陰極を装着するための孔が
   設けられている請求項１に記載の放電ランプ。 ４、上記金属がニッケルである請求項３に記載の放電ラ
   ンプ。 ５、上記各拡大陽極が対応する陰極を包囲する楕円形の
   光反射性金属帯で構成されている請求項１に記載の放電
   ランプ。 ６、上記金属がニッケルである請求項５に記載の放電ラ
   ンプ。 ７、上記エンベロープが管状で、上記２対の電極がその
   両端に装着されている請求項１に記載の放電ランプ。 ８、ガス状放電媒体を封入した、内面にけい光体被覆を
   有する光透過性エンベロープと、 上記エンベロープ内に密封された相互に離間した２対の
   電極であって、各電極対が近接配置した陰極と拡大陽極
   とからなり、各拡大陽極の表面積がランプ動作中に陽光
   柱と該拡大陽極との間の電圧降下を防止するのに十分な
   大きさを有している２対の電極と、 上記各拡大陽極の表面からの電子の放出を防止する電子
   手段と、を備えるけい光放電ランプ。 ９、上記電子手段が上記各拡大陽極と直列にそれぞれ接
   続されたダイオードを含み、各ダイオードの負端子が対
   応する１つの拡大陽極に電気接続され、各ダイオードの
   正端子が対応する電極対の陰極に電気接続されている請
   求項８に記載のけい光放電ランプ。 １０、上記各拡大陽極が光反射性金属のディスクで構成
   され、該ディスクには対応する陰極を装着するための孔
   が設けられている請求項８に記載のけい光放電ランプ。 １１、上記金属がニッケルである請求項１０に記載のけ
   い光放電ランプ。 １２、上記各拡大陽極が対応する陰極を包囲する楕円形
   の光反射性金属帯で構成されている請求項８に記載のけ
   い光放電ランプ。 １３、上記金属がニッケルである請求項１２に記載のけ
   い光放電ランプ。 １４、上記ガス状放電媒体がネオン、クリプトン、アル
   ゴンまたはこれらの混合物である請求項８に記載のけい
   光放電ランプ。