JPH0547356A - 無電極放電灯 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】始動を容易にする。 【構成】放電ガスを封入した透光性材料よりなるバルブ
１の外周に誘導コイル２を巻く。誘導コイル２に第１の
高周波電源４ａより高周波電流を通電し、バルブ１内に
封入した放電ガスに高周波磁界を作用させて放電ガスを
励起発光させる。バルブ１の底面には単極の補助電極３
を配置し、大地と補助電極３との間に第２の高周波電源
４ｂより高周波電圧を印加する。補助電極３の周囲の高
周波電界によって、バルブ１に一端が自由端となったひ
も状の予備放電が生じ、誘導コイル２の周囲の高周波磁
界によるアーク放電への移行が容易になる。第２の高周
波電源４ｂは、補助電極３に印加する高周波電圧の大地
に対する大地に対する振幅が十分に大きくなるように、
出力電圧を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放電ガスを封入した透
光性材料よりなるバルブの内部に電極を持たず、バルブ
の外部から放電ガスに対して高周波磁界を作用させるこ
とによって、放電ガスを励起発光させるようにした無電
極放電灯に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、バルブ内に封入した放電ガス
に高周波磁界を作用させることによって、放電ガスを励
起して発光させるようにした無電極放電ランプが知られ
ている。この種の無電極放電ランプは、小型、高出力、
長寿命などの特長を有しているものであるから、各所で
研究開発がなされ、高出力点光源などとして種々の利用
が考えられている。

【０００３】無電極放電ランプとしては、図４に示すよ
うに、誘導コイル２を囲む形の電球形のバルブ１を備
え、誘導コイル２に対して高周波電流を通電し、バルブ
１の中に封入された放電ガスに高周波磁界を作用させる
ことによって、放電ガスを励起し発光させるものがある
（特開昭５７−７８７６６号公報）。放電ガスとして
は、水銀蒸気を含むものが用いられ、水銀蒸気の励起に
よって発光するようになっている。

【０００４】ところで、誘導コイル２として用いられて
いる空心コイルの周囲に形成される磁界は、誘導コイル
２の内側でもっとも強くなるが、上記構成では、誘導コ
イル２の内側の高周波磁界を放電ガスに作用させていな
いものであるから、効率が低いという問題がある。これ
に対して、図５に示すように、球状のバルブ１を備え、
バルブ１の外周に巻線を巻回した誘導コイル２を備え、
高周波電源４から誘導コイル２に高周波電流を通電する
無電極放電灯が考えられている。この構成では、誘導コ
イル２の内側で放電ガスに高周波磁界を作用させている
から、図４の構成に比較すれば、効率が高くなるのであ
る。

【０００５】これらの無電極放電ランプの放電ガスに
は、水銀蒸気等の発光物質と希ガスとの混合気体が一般
に用いられている。発光物質を含む放電ガスを用いる
と、初期始動は比較的容易になるが、再始動は困難であ
るという問題がある。また、温度の上昇（とくに点灯
時）において、発光物質の蒸気圧が指数関数的に変化す
るから、誘導コイル２に高周波電流を通電するための高
周波電源との整合がとりにくく、整合がとれなくなると
立ち消えするという問題が生じる。一方、放電ガスに発
光物質を含めなければ、整合はとりやすくなるが、初期
始動が困難になる。誘導コイルに高電圧を印加すれば、
強制的に始動させることは可能であるが、高電圧を出力
できる高周波電源が必要になり、点灯回路としての高周
波電源が大型化するという問題が生じる。すなわち、無
電極放電ランプと高周波電源とを含む無電極放電灯が大
型化することになる。

【０００６】上述したような問題を解決するために、図
６に示すように、バルブ１の外周に誘導コイル２の巻線
を巻回して、高周波磁界を放電ガスに効率よく作用さ
せ、しかも、誘導コイル２の軸方向におけるバルブ１の
両側に、互いに対向する一対の補助電極３を配置するこ
とによって、発光物質を含まない放電ガスでも始動が比
較的容易になるようにした無電極放電ランプが提案され
ている（米国特許第４，８９４，５８９号、米国特許第
４，９０２，９３７号）。この無電極放電ランプでは、
誘導コイル２への高周波電流の通電に先立って、両補助
電極３の間に高周波電圧を印加することによって予備放
電が行われるようにし、予備放電が生じた状態で誘導コ
イル２に高周波電流を通電することによって、始動を容
易にしようとするものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、誘導コイル
２に高周波電流を通電して点灯させたときには、高周波
磁界によりバルブ１の中に回転電界が生じるのであっ
て、この回転電界に沿って放電プラズマが走るものであ
る。回転電界は磁束に直交する平面内で生じるから、点
灯時には、誘導コイル２の巻線の巻回方向に沿うように
放電プラズマが走ることになる。一方、補助電極３の間
で生じる予備放電は、回転電界に対して直交する方向に
生じるものであって、両端が補助電極３によって拘束さ
れているものであるから、予備放電の状態から回転電界
に沿って放電プラズマが走る状態に移行させるために
は、比較的大きなエネルギーを必要とするという問題が
ある。すなわち、一対の補助電極３を設けても、始動は
あまり容易にはならないという問題がある。

【０００８】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、始動が容易であって大型の高周波電源を必要
としない、比較的コンパクトに形成できる無電極放電灯
を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記目的を達成するために、放電ガスを封入した透光性材
料よりなるバルブの外周に巻線を１ターン以上巻回した
誘導コイルに第１の高周波電源より高周波電流を通電
し、バルブ内に封入された放電ガスに高周波磁界を作用
させることによって放電ガスを励起発光させる無電極放
電灯において、第２の高周波電源より高周波電圧が印加
されてバルブ内にひも状の予備放電を生じさせることが
できる単極の補助電極が、バルブの外壁面付近であって
バルブ内の空間に静電結合する位置に設けられ、第１の
高周波電源と第２の高周波電源とは各別に設けられてい
て、第２の高周波電源は、補助電極への印加電圧の大地
に対する振幅値が十分に大きくなるように出力電圧が設
定されているのである。

【００１０】請求項２の発明では、第２の高周波電源
は、インダクタとコンデンサとを設けた共振回路を出力
回路として備え、インダクタンス成分が十分に大きくな
るように共振回路の定数を設定している。請求項３の発
明では、第２の高周波電源は、第１の高周波電源よりも
出力周波数を高く設定している。

【００１１】

【作用】請求項１の構成によれば、高周波電圧が印加さ
れてバルブ内にひも状の予備放電を生じさせることがで
きる単極の補助電極を、バルブの外壁面付近であってバ
ルブ内の空間に静電結合する位置に設けているので、誘
導コイルに高周波電流を通電して放電ガスを励起発光さ
せるのに先立って、補助電極によって予備放電を生じさ
せることができ、放電ガスに発光物質が含まれていない
場合であっても、容易に始動できることになる。また、
補助電極は単極であるから、予備放電は一端が補助電極
に拘束されているが他端は自由端になるのであって、誘
導コイルの周囲に生じる高周波磁界によって発生する放
電プラズマが走る方向と予備放電の生じる方向とが異な
っていても、予備放電を点灯時に放電プラズマが走る方
向に移行させるのは容易であり、一対の補助電極を対向
して配置している場合に比較して、始動に要するエネル
ギーが小さくなるのである。さらに、第１の高周波電源
と第２の高周波電源とを各別に設け、第２の高周波電源
の出力電圧を、補助電極への印加電圧の大地に対する振
幅値が十分に大きくなるように設定しているので、各高
周波電源の設計が容易になり、予備放電が生じるのに十
分な高周波電圧を補助電極に印加し、また、アーク放電
が生じるのに十分な高周波電流を誘導コイルに通電する
ことができるのである。ここにおいて、予備放電には、
比較的高い電圧が要求されるから、第２の高周波電源の
出力電圧を、大地に対する振幅値が十分に大きくなるよ
うに設定しているのである。

【００１２】請求項２の構成によれば、インダクタンス
成分が十分に大きくなるように第２の高周波電源の出力
回路としての共振回路の定数を設定しているので、共振
回路の両端電圧が高くなり、補助電極に対して十分に高
い電圧を印加することができて、予備放電を生じやすく
なり、結果的に始動性が向上するのである。請求項３の
構成によれば、第２の高周波電源の出力周波数を、第１
の高周波電源の出力周波数よりも高く設定しているの
で、補助電極とバルブ内の放電ガスとの間のインピーダ
ンスが小さくなり、予備放電が生じやすくなるのであっ
て、始動性が向上するのである。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）図１に示すように、バルブ１は石英ガラス
等の透光性材料によって球状に形成され、放電ガスとし
てキセノンガスを１００Torr封入してある。バルブ１を
包むように仮想的に設定した円筒の外周に巻線を巻回し
た形で誘導コイル２が形成される。ここでは、誘導コイ
ル２は３ターン巻回されているが、ターン数はとくに限
定されるものではなく、１ターン以上巻回されていれば
よい。バルブ１の外壁面付近には、単極の補助電極３が
配置される。補助電極３は、たとえば、金属箔によって
一辺が１０ｍｍの正方形として形成され、バルブ１の外
壁面に被着ないし近接して配置される。また、補助電極
３の位置は、本実施例では誘導コイル２に対して仮想的
に設定した円筒の軸方向の一端側としているが、これに
限定されるものではない。

【００１４】誘導コイル２は、第１の高周波電源４ａか
ら高周波電流が通電されて高周波磁界を発生し、この高
周波磁界がバルブ１の内部の放電ガスに作用することに
よって、放電ガスが励起され発光するようになってい
る。また、高周波磁界によってバルブ１の中には回転電
界が生じるのであり、この回転電界によりバルブ１の中
に生じた放電プラズマはバルブ１の中で回転する。補助
電極３は、接続線を介して第２の高周波電源４ｂから高
周波電圧が印加されており、補助電極３の周囲に生じる
高周波電界によって、バルブ１の中にはひも状の予備放
電が生じるようになっている。すなわち、補助電極３の
周囲に生じた高周波電界によって加速された電子が、放
電ガスの原子に衝突して電離させることによって予備放
電が生じるのである。このような予備放電は、補助電極
３が単極であることから、一端は補助電極３に拘束され
るが、他端は自由端となるのであり、比較的自由に移動
できるものである。ここにおいて、第１の高周波電源４
ａや第２の高周波電源４ｂは、高周波出力を得る高周波
発振部、高周波出力を電力増幅する増幅部、誘導コイル
２や補助電極３とのインピーダンスの整合を行うマッチ
ング部などを備えている。また、第２の高周波電源４ｂ
は、補助電極３と大地との間に高周波電圧を印加するよ
うになっている。第２の高周波電源４ｂは、発振部ＡＣ
の出力を、インダクタＬとコンデンサＣとを並列接続し
た並列共振回路からなる出力回路を通して補助電極３に
印加する。ここで、並列共振回路の共振周波数ｆは、イ
ンダクタＬとコンデンサＣとによって、ｆ＝１／２π
（ＬＣ）^1/2 と表され、理想的な共振状態ではインダク
タＬの両端電圧は無限大になるのであるが、実際には抵
抗成分などの存在によって、インダクタＬの両端電圧は
インダクタＬのインダクタンスによって決定されること
になる。図２に補助電極３に２０Ｗを入力する際のイン
ダクタンスに対するインダクタＬの両端電圧の関係を示
す。図２より明らかなように、インダクタンスが大きい
ほどインダクタＬの両端電圧を高くとることができるの
である。一方、補助電極３に印加する高周波電圧は大地
に対して高い電圧であるほど予備放電が容易に生じるか
ら、並列共振回路を構成するインダクタＬのインダクタ
ンスを十分に大きくして予備放電が生じやすくなるよう
に、インダクタＬとコンデンサＣとの定数を決定するの
である。図３にインダクタＬのインダクタンスと誘導コ
イル２への始動最低入力電力との関係を示す。図３より
明らかなように、インダクタンスが大きいほど誘導コイ
ル２への始動最低入力電力が小さくなることがわかる。

【００１５】上述のように構成された無電極放電灯を点
灯させるには、まず、補助電極３に高周波電圧を印加し
て、予備放電を生じさせる。予備放電は補助電極３から
次第に伸びてバルブ１のほぼ反対側に到達する。ここ
で、誘導コイル２に高周波電流を通電すると、誘導コイ
ル２の周囲に生じた高周波磁界によって生じる回転電界
に沿うように予備放電の自由端が誘導され、ループ状の
放電路が形成される。その後、ループがつながると、ア
ーク放電に移行して放電プラズマが生じ、放電ガスの励
起により強い発光が生じて点灯状態になるのである。点
灯状態に移行した後には、補助電極３への高周波電圧の
印加は不要になる。ここにおいて、誘導コイル２への高
周波電流は、予備放電が生じた後に与えているが、補助
電極３に高周波電圧を印加するのと同時に、誘導コイル
２に高周波電流を通電しておき、予備放電が生じた後に
誘導コイル２への高周波電流を増加させるようにしても
よい。

【００１６】以上説明したように、補助電極３への高周
波電圧の印加によって予備放電を生じさせることがで
き、アーク放電への移行が容易になるのであって、始動
しやすくなるのである。すなわち、予備放電がない場合
に比較すれば、誘導コイル２への初期入力が大幅に低減
されるのであって、始動性が向上するのである。さら
に、補助電極３の電源となる第２の高周波電源４ｂを、
誘導コイル２の電源である第１の高周波電源４ａとは別
に設けたことによって、各電源の設計が容易になり、予
備放電が生じるのに十分な高周波電圧を補助電極３に印
加し、また、アーク放電が生じるのに十分な高周波電流
を誘導コイル２に通電することができるのである。

【００１７】ここに、放電ガスとしては、キセノンガス
に代えて、他の単一気体や混合気体を用いてもよい。ま
た、補助電極の位置、大きさ、形状については、とくに
限定されるものではない。なお、第２の高周波電源４ｂ
の出力部は直列共振回路によって構成してもよいのはも
ちろんのことである。 （実施例２）本実施例では、放電ガスとして、希ガスに
発光物質としての金属や金属のハロゲン化物を混合した
ものを用いる。金属と金属のハロゲン化物は単体でもま
た混合物でもよい。たとえば、ＮａＩ−ＴａＩ−ＩｎＩ
などを希ガスに混合する。

【００１８】このような発光物質を混合した放電ガスを
用いると、アーク放電に移行した直後は、希ガスの励起
発光が生じるのであって、希ガスがキセノンであれば白
色の光が生じることになる。その後、発光物質の蒸気圧
が上昇し、発光物質による発光色が生じるのである。以
上のようにして、初期状態から高い発光輝度を得ること
ができ、立ち上がりのよい高輝度な無電極放電灯が提供
できるのである。放電ガスの成分を除いて構成は実施例
１と同じである。

【００１９】（実施例３）本実施例は、第２の高周波電
源４ｂの出力周波数を第１の高周波電源４ａの出力周波
数に対して高く設定したものであって、第２の高周波電
源４ｂの出力周波数が高いほど、バルブ１の中の放電ガ
スと補助電極３との間のインピーダンスが小さくなって
電気的結合状態が密になって予備放電が生じやすくなる
のである。ここにおいて、誘導コイル２に通電する高周
波電流の周波数を高くすれば、誘導コイル２のインピー
ダンスが高くなって電流が流れにくくなり、所要の電力
を供給できなくなるから、第１の高周波電源４ａの出力
周波数は、あまり高く設定することはできない。したが
って、第１の高周波電源４ａの出力周波数は従来通りと
し、第２の高周波電源４ｂの出力周波数を高く設定する
のである。本実施例の構成は、実施例１と実施例２との
いずれに対しても適用できるものである。

【００２０】（実施例４）本実施例は、図示していない
が、補助電極３に加えて予備放電を生じやすくさせる補
助手段を設けたものであって、圧電素子などからなる高
電圧発生装置をバルブ１に近接して配置することによっ
て補助手段として用いるものである。この構成では、補
助電極３に高周波電圧を印加したときに、補助手段によ
ってバルブ１の近傍で高電圧を発生させることによっ
て、バルブ１の中で予備放電が生じるのに必要な電離状
態が生じやすくなるのであり、予備放電が生じやすくな
ることによって、始動性が一層高まるのである。本実施
例の構成は、補助電極３を設けても始動が困難な場合に
有効になるのであって、実施例１ないし実施例３のいず
れの構成に対しても適用可能である。

【００２１】

【発明の効果】請求項１の構成によれば、高周波電圧が
印加されてバルブ内にひも状の予備放電を生じさせるこ
とができる単極の補助電極を、バルブの外壁面付近であ
ってバルブ内の空間に静電結合する位置に設けているの
で、誘導コイルに高周波電流を通電して放電ガスを励起
発光させるのに先立って、補助電極によって予備放電を
生じさせることができ、放電ガスに発光物質が含まれて
いない場合であっても、容易に始動できるという効果を
奏する。また、補助電極は単極であるから、予備放電は
一端が補助電極に拘束されているが他端は自由端になる
のであって、誘導コイルの周囲に生じる高周波磁界によ
って発生する放電プラズマが走る方向と予備放電の生じ
る方向とが異なっていても、予備放電を点灯時に放電プ
ラズマが走る方向に移行させるのは容易であり、一対の
補助電極を対向して配置している場合に比較して、始動
に要するエネルギーが小さくなるという利点がある。さ
らに、第１の高周波電源と第２の高周波電源とを各別に
設け、第２の高周波電源の出力電圧を、補助電極への印
加電圧の大地に対する振幅値が十分に大きくなるように
設定しているので、各高周波電源の設計が容易になり、
予備放電が生じるのに十分な高周波電圧を補助電極に印
加し、また、アーク放電が生じるのに十分な高周波電流
を誘導コイルに通電することができるという効果があ
る。

【００２２】請求項２の構成によれば、インダクタンス
成分が十分に大きくなるように第２の高周波電源の出力
回路としての共振回路の定数を設定しているので、共振
回路の両端電圧が高くなり、補助電極に対して十分に高
い電圧を印加することができて、予備放電を生じやすく
なり、結果的に始動性が向上する。請求項３の構成によ
れば、第２の高周波電源の出力周波数を、第１の高周波
電源の出力周波数よりも高く設定しているので、補助電
極とバルブ内の放電ガスとの間のインピーダンスが小さ
くなり、予備放電が生じやすくなるのであって、始動性
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を示す構成図である。

【図２】実施例の原理説明図である。

【図３】実施例の原理説明図である。

【図４】従来の無電極放電ランプを示す断面図である。

【図５】従来の他の無電極放電ランプを用いた構成図で
ある。

【図６】従来のさらに他の無電極放電ランプを示す断面
図である。

【符号の説明】

１ バルブ ２ 誘導コイル ３ 補助電極 ４ａ 第１の高周波電源 ４ｂ 第２の高周波電源 Ｌ インダクタ Ｃ コンデンサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電ガスを封入した透光性材料よりなる
   バルブの外周に巻線を１ターン以上巻回した誘導コイル
   に第１の高周波電源より高周波電流を通電し、バルブ内
   に封入された放電ガスに高周波磁界を作用させることに
   よって放電ガスを励起発光させる無電極放電灯におい
   て、第２の高周波電源より高周波電圧が印加されてバル
   ブ内にひも状の予備放電を生じさせることができる単極
   の補助電極が、バルブの外壁面付近であってバルブ内の
   空間に静電結合する位置に設けられ、第１の高周波電源
   と第２の高周波電源とは各別に設けられていて、第２の
   高周波電源は、補助電極への印加電圧の大地に対する振
   幅値が十分に大きくなるように出力電圧が設定されて成
   ることを特徴とする無電極放電灯。
2. 【請求項２】 第２の高周波電源は、インダクタとコン
   デンサとを設けた共振回路を出力回路として備え、イン
   ダクタンス成分が十分に大きくなるように共振回路の定
   数が設定されたことを特徴とする請求項１記載の無電極
   放電灯。
3. 【請求項３】 第２の高周波電源は、第１の高周波電源
   よりも出力周波数が高く設定されたことを特徴とする請
   求項１または請求項２記載の無電極放電灯。