JPH08124537A - 無電極放電灯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発光効率が高く、しかも長寿命の無電極放電
灯装置を提供すること。また、バルブが直管状の場合、
バルブの管軸方向全域にわたり均一発光させることがで
きる無電極放電灯装置を提供すること。 【構成】 透光性材料よりなるバルブ１の内部には水銀
が封入されている。バルブ１の外周に誘導コイル３が３
ターン巻回されている。誘導コイル２には高周波電源４
が接続されている。 【効果】 封入ガスを水銀のみとしたので、希ガスによ
る弾性衝突ロスがなくなり、また、電子の平均自由行程
が大きくなることから、電子温度が上昇し発光効率の高
い放電ランプが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バルブ内部に電極を持
たず、外部からの高周波電磁界によって、バルブ内の封
入ガスを励起発光させる無電極放電灯装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、一般によく使用されている蛍
光ランプであり、直管状のバルブ１の両端に電極２，２
が配置され、バルブ１の内面には蛍光体（図示せず）が
塗布されており、バルブ１内部には水銀と数Torrのアル
ゴンガスが封入されている。

【０００３】かかるランプは、電極２，２間で水銀の放
電を形成し、水銀励起原子からの紫外線発光を利用する
ものである。ここで、アルゴンガスは、電極２に塗布さ
れた電極物質（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａの酸化物）の飛散を防
止する役目を担っており、アルゴンでの弾性衝突ロスを
減らしたい場合や、電子温度を高くする目的でアルゴン
ガス圧を下げると著しく寿命が短くなる。

【０００４】また、 近年、無電極蛍光ランプが実用化
されている。このランプは、放電ガスを封入したバルブ
に近接して配置した誘導コイルに高周波電流を通電し、
発生する誘導電磁界でバルブ内の放電ガスを励起発光さ
せるものである。

【０００５】図１１はその一例を示すもので、数Torrの
アルゴンと水銀を封入したバルブ１に近接して配置した
誘導コイル３に、高周波電源（図示せず）から出力され
る１３．５６ＭHzの高周波電流を通電し、発生する誘導
電磁界でバルブ１内の水銀原子を励起して２５４nmの紫
外線を放射し、この紫外線をバルブ１の内面に塗布した
蛍光体４に照射することにより可視光を得るようにした
無電極蛍光ランプである。

【０００６】なお、図１１において、６は導電体で構成
された装置本体で、上記高周波電源などが収容されてお
り、ランプや高周波電源から発生する放射ノイズを除去
する。また、７は導電性メッシュで構成された電磁シー
ルド手段で、ランプからの照射光を透過すると共に、照
射面からのノイズ漏洩を防ぐ。この無電極蛍光ランプは
バルブ１内に電極を持たないため、電極切れの心配がな
く、長寿命であるという特長を有する。

【０００７】ところで、このような方式の無電極ランプ
で直管状のバルブを発光させようという場合には、誘導
コイルを配置した近傍のバルブ内にプラズマが局在して
しまい、直管状ランプ全体を発光させることが困難であ
る。また、直管バルブ全域にわたって誘導コイルを配置
しても、プラズマの負抵抗特性によりプラズマは局在し
がちで、直管状ランプ全体を発光させることはやはり困
難である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みなされたもので、その目的とするところは、発光
効率が高く、しかも長寿命の無電極放電灯装置を提供す
ることであり、また、バルブが直管状の場合、バルブの
管軸方向全域にわたり均一発光させることができる無電
極放電灯装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１記載の発明は、透光性材料よりなるバルブの外
側に配置された誘導コイルに高周波電源より高周波電流
を通電し、前記バルブ内に封入された封入ガスに高周波
電磁界を作用させることによって前記封入ガスを励起発
光させる無電極放電灯装置において、前記封入ガスを水
銀のみとしたことを特徴とする。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、前記水銀に
加えて0.1 Torr以下の少なくとも１種類の希ガスを封入
したことを特徴とするものであり、請求項３記載の発明
は、前記バルブの形状を直管状とするとともに、バルブ
管軸方向に平行な直流磁力線を前記バルブ内部に印加す
る直流磁界発生手段を備えたことを特徴とし、請求項４
記載の発明は、直流磁界発生手段に代えて低周波交流磁
界発生手段としたことを特徴とするものである。

【００１１】さらに、請求項５記載の発明は、前記直流
磁界発生手段を永久磁石としたものであり、請求項６記
載の発明は、前記磁界発生手段を磁界発生コイルと電源
とで構成したものである。

【００１２】さらにまた、請求項７記載の発明は、前記
バルブの形状を直管状とするとともに、前記誘導コイル
を前記バルブの中央近傍に配置し、該誘導コイルに通電
する高周波電流に直流電流成分を重畳したことを特徴と
するものである。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明によれば、封入ガスを水銀
のみとしたので、希ガスによる弾性衝突ロスがなくな
り、また、電子の平均自由行程が大きくなることから、
電子温度が上昇し発光効率の高い放電ランプとなる。

【００１４】請求項２記載の発明によれば、水銀に加え
て0.1 Torr以下の少なくとも１種類の希ガスを封入した
ので、放電開始が容易になる。

【００１５】請求項３記載の発明によれば、管軸方向に
平行な直流磁界を印加するようにしたので、電子が直流
磁力線に巻き付くように運動し、バルブ内壁での電子の
消失割合が減少し、結果として、同じ入力電力あたりの
発光効率は高くなる。また、管軸方向の磁界に沿った形
で電子が運動することにより、バルブの管軸方向へプラ
ズマが伸び、バルブ全体が放電発光する。

【００１６】請求項４記載の発明によれば、管軸方向に
平行な低周波の交流磁界を印加するようにしたので、電
子は低周波交流磁力線に巻き付くように運動し、バルブ
内壁での電子の消失割合が減少して発光効率が高くな
り、加えてバルブの管軸方向へプラズマが伸び、バルブ
全体が放電発光する。

【００１７】請求項５記載の発明によれば、直流磁界発
生手段が永久磁石であるので、直流磁界の印加を電気エ
ネルギ−なしで実現できる。

【００１８】請求項６記載の発明によれば、磁界発生手
段が磁界発生コイルと電源とからなるので、コイルに直
流電流を通電すれば直流磁界を発生させることができ、
低周波交流電流を通電すれば低周波交流磁界を発生させ
ることができる。

【００１９】請求項７記載の発明によれば、誘導コイル
に通電する高周波電流に直流電流成分を重畳したので、
磁界発生コイルや永久磁石を用いることなく直流磁界を
得ることができる。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明に係る第１の実施例を示すも
ので、図中、１は透光性材料よりなるバルブであって、
バルブ１の内部には水銀が封入されている。この実施例
では１０mg封入されている。水銀蒸気圧はバルブ１の最
も低い温度、いわゆる最冷点温度により規制され、例え
ば、一般の低圧水銀灯では４０℃程度にされる。このと
き、水銀蒸気圧はミリトール（Torr）のオーダーであ
る。この実施例でもミリトールから１００ミリトールの
オーダーであると考えてよい。

【００２１】３はバルブ１の外周に巻かれた誘導コイル
で、この実施例では３ターン巻回されているが、ターン
数は特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。

【００２２】４は誘導コイル２に高周波電流を通電する
高周波電源である。高周波電源４は発振周波数１３．５
６ＭHzで連続発振させている。

【００２３】このように構成された無電極放電灯装置の
誘導コイル３に、高周波電源４で発生した高周波電流を
通電すると、誘導コイル３の周りに交番磁界が発生し、
さらにこの交番磁界に鎖交する形で誘導電界が発生す
る。この誘導電界はコイル３に沿った閉じた電界であ
り、この誘導電界によってバルブ１内にプラズマが維持
される。プラズマ内では、電子が電界からエネルギ−を
受け取り、封入ガスに衝突することにより色々な励起、
電離などの現象が生じる。

【００２４】ところで、一般の低圧水銀灯の場合には、
バルブ内部に水銀に加えてアルゴンガスが数Torr封入さ
れている。アルゴンガスの働きの一つに電極物質飛散の
保護があり、アルゴンのガス圧を低くすると寿命が急激
に短くなることが知られている。ところが、アルゴンガ
スが数Torr存在することにより、アルゴンでの弾性衝突
ロスが生じ、結果として効率を低下させていることにな
る。また、アルゴンガス圧を低くすると電子温度が上昇
し、発光効率が上昇するような場合でも、上記の理由に
よりアルゴンのガス圧を下げることができない。しか
し、本実施例では電極がないため、上記のような短寿命
化を考えなくてよい。

【００２５】また、本実施例ではアルゴンガスを封入し
ていないため、上記のようなアルゴンでの弾性衝突ロス
がなく、さらに高い電子温度のプラズマを形成すること
が可能で、結果として発光効率が上昇する。実験では、
アルゴン３Torrと水銀を封入したランプに比べて、２５
４nmの紫外線強度が約１．６倍となった。また、水銀の
可視励起発光も約２倍となった。

【００２６】従って、本実施例によれば、発光効率が優
れ、しかも寿命の長い紫外線光源が得られ、また、蛍光
体（例えば２５４nmの紫外線に感度の良い）を用いれば
可視光源が得られる。一例として、図２に本実施例に係
る発光スペクトルを示す。なお、図３は水銀とアルゴン
３Torrを封入した比較例の発光スペクトルを示すもので
ある。いずれも、高周波電力１５Ｗを入力した時のもの
である。

【００２７】（実施例２）図４は本発明に係る第２の実
施例を示すもので、バルブ１の内部には、一般の低圧水
銀ランプよりも低圧の例えば0.1 Torrのアルゴンが水銀
に加えて封入されている構成になっている。他の構成は
実施例１と同様であるので、同等構成に同一符号を付す
ことにより説明を省略する。

【００２８】非常に低周囲温度条件下で水銀ランプを動
作させる場合、水銀の蒸気圧が非常に低くなり放電開始
が困難になるが、本実施例のような構成にすることによ
り、アルゴンを先ず放電させ、そのアルゴン放電による
管壁温度上昇により水銀を蒸発させ、水銀の放電に移行
させることが可能となる。ランプ動作中において、アル
ゴンのガス圧は比較的低圧なので、弾性衝突ロスは比較
的少なくなる。また、電子温度も比較的高くなる。

【００２９】（実施例３）図５および図６は本発明に係
る第３の実施例を示すもので、バルブ１は直管状で、そ
の一部に誘導コイル３がバルブ１巻き付けられる形で配
置されている。誘導コイル３は高周波電源４に接続され
ている。バルブ１の内部には、例えば水銀のみが封入さ
れている。５はバルブ１の管軸方向に平行な（言い換え
れば、誘導コイル３の開口面に直交する方向に）直流磁
界を印加する直流磁界発生手段で、図５に示すように永
久磁石によるものでも、図６に示すようにコイルによる
ものでもよい。ここで、直流磁界発生手段５は数１０ガ
ウス以上の磁界を発生できるように設計されている。

【００３０】このように構成することにより、放電させ
る電子は、直流磁界発生手段５により生ずる直流磁力線
に巻き付くように、拘束力を受け、バルブ１の管壁方向
へ移動しにくくなる。従って、管壁での電子の消失割合
が減少し、結果として、同じ入力電力あたりの発光効率
は高くなる。また、管軸方向の磁界に沿った形で電子が
運動することにより、バルブ１の管軸方向へプラズマが
伸びる。

【００３１】直管状バルブの一部に誘導コイルを巻く
と、コイル部分にプラズマが集中し、発光強度もその部
分でのみ強くなるが、本実施例のように直流磁界を印加
することにより、直管状バルブ１の全域で発光させるこ
とができる。

【００３２】ここで、電子を磁力線に巻き付けて螺旋運
動させるためには、実施例１および実施例２に示したよ
うに、バルブ１内のガス圧が低いことが必要である。ガ
ス圧が高い場合には、電子の平均自由行程が短くなり、
磁界に沿った運動よりも他の粒子との衝突による運動方
向変化が主体になってしまうからである。例えば、ガス
圧を0.1 Torr以上にすると、直流磁界の効果は少なくな
る。また、このような低ガス圧では、有電極ランプでは
寿命が著しく短くなる。

【００３３】（実施例４）図７は本発明に係る第４の実
施例を示すもので、前記実施例３と異なる点は、磁界発
生手段５としてコイルを用いているが、発生磁界は直流
磁界ではなく、低周波の交流磁界が発生するような構成
にしたことで、他の構成は実施例３と同様であるので、
同等構成に同一符号を付すことにより説明を省略する。

【００３４】バルブ１の管軸方向に印加する磁界の周波
数は、誘導コイル３に印加する高周波よりも十分に低い
ことが必要であり、例えば、誘導コイル３に印加する高
周波が１３．６５ＭHzの場合には、低周波磁界の周波数
は６０Hz程度でよい。

【００３５】このように構成することにより、実施例３
で説明した動作に加え、バルブ１の管壁方向への電子の
運動は６０Hzに同調して方向を変えることになる。従っ
て、本実施例によれば、誘導コイル３の両側へプラズマ
が伸びやすくなる。

【００３６】（実施例５）図８は本発明に係る第５の実
施例を示すもので、図９は本実施例を説明する印加電圧
図である。上記実施例と異なる点は、バルブ１の形状を
直管状に形成するとともに、誘導コイル３をバルブ１の
中央近傍に配置し、誘導コイル３に通電する高周波電流
に直流電流成分を重畳したことである。本実施例では直
流磁界印加用のコイルは、高周波誘導コイル３と兼用で
使われている。

【００３７】このような電流を誘導コイル３に流した場
合、高周波電流によりコイル巻回方向に発生する誘導電
界により放電は維持され、直流電流成分により管壁方向
の直流磁界が発生する。動作に関しては実施例３と同様
であるので省略するが、本実施例のような構成にするこ
とにより、コイルが一つですみ装置が簡略になる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は上記のように、透光性材料より
なるバルブの外側に配置された誘導コイルに高周波電源
より高周波電流を通電し、前記バルブ内に封入された封
入ガスに高周波電磁界を作用させることによって前記封
入ガスを励起発光させる無電極放電灯装置において、前
記封入ガスを水銀のみとしたことにより、発光効率が高
く、しかも長寿命の無電極放電灯装置を提供することが
できる。

【００３９】また、請求項２の発明のように、水銀に加
えて0.1 Torr以下の少なくとも１種類の希ガスを封入す
ることにより、発光効率が高く、しかも寿命が長く、低
温時にも始動し易い無電極放電灯が得られる。

【００４０】請求項３の発明のように、バルブ形状を直
管状とし、バルブ管軸方向に平行な直流磁力線を前記バ
ルブ内部に印加する直流磁界発生手段を設けたことによ
り、発光効率が高く、しかも、直管状のバルブ全域が発
光する無電極放電灯が得られる。また、請求項４の発明
のように、管軸方向に平行な低周波の交流磁界を印加し
ても、発光効率が高く、バルブ全域が発光する無電極放
電灯が得られる。

【００４１】請求項５の発明のように、直流磁界発生手
段を永久磁石とすれば、放電維持以外の余分な電気エネ
ルギ−の投入無しに、発光効率が高く、バルブ全域が発
光する無電極放電灯が得られる。

【００４２】請求項６の発明のように、磁界発生手段を
磁界発生コイルと電源とで構成すれば、バルブの管軸方
向の放電の伸びを電気エネルギ−で制御できる。

【００４３】請求項７の発明のように、バルブの形状を
直管状とするとともに、誘導コイルをバルブの中央近傍
に配置し、誘導コイルに通電する高周波電流に直流電流
成分を重畳すれば、上記のような磁界発生手段を余分に
付加することなく、発光効率が高く、バルブ全域が発光
する無電極放電灯が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す簡略断面図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る発光スペクトルを示
す特性図である。

【図３】本発明に係る比較例の発光スペクトルを示す特
性図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す簡略断面図である。

【図５】本発明の第３実施例を示す簡略断面図である。

【図６】本発明の第３実施例の異なる態様を示す簡略断
面図である。

【図７】本発明の第４実施例を示す簡略断面図である。

【図８】本発明の第５実施例を示す簡略断面図である。

【図９】本発明の第５実施例に係る印加電圧図である。

【図１０】従来例を示す簡略図である。

【図１１】異なる従来例を示す一部断面の簡略斜視図で
ある。

【符号の説明】

１ バルブ ２ 電極 ３ 誘導コイル ４ 高周波電源 ５ 磁界発生手段 ６ 装置本体 ７ 電磁シールド手段

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性材料よりなるバルブの外側に配置
   された誘導コイルに高周波電源より高周波電流を通電
   し、前記バルブ内に封入された封入ガスに高周波電磁界
   を作用させることによって前記封入ガスを励起発光させ
   る無電極放電灯装置において、前記封入ガスを水銀のみ
   としたことを特徴とする無電極放電灯装置。
2. 【請求項２】 前記封入ガスが水銀に加えて0.1 Torr以
   下の少なくとも１種類の希ガスからなることを特徴とす
   る請求項１記載の無電極放電灯装置。
3. 【請求項３】 前記バルブの形状を直管状とするととも
   に、バルブ管軸方向に平行な直流磁力線を前記バルブ内
   部に印加する直流磁界発生手段を備えたことを特徴とす
   る請求項１または請求項２記載の無電極放電灯装置。
4. 【請求項４】 前記バルブの形状を直管状とするととも
   に、バルブ管軸方向に平行な低周波交流磁力線を前記バ
   ルブ内部に印加する低周波交流磁界発生手段を備えたこ
   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
   電灯装置。
5. 【請求項５】 前記直流磁界発生手段が永久磁石である
   ことを特徴とする請求項３記載の無電極放電灯装置。
6. 【請求項６】 前記磁界発生手段が磁界発生コイルと電
   源とからなることを特徴とする請求項３または請求項４
   記載の無電極放電灯装置。
7. 【請求項７】 前記バルブの形状を直管状とするととも
   に、前記誘導コイルを前記バルブの中央近傍に配置し、
   該誘導コイルに通電する高周波電流に直流電流成分を重
   畳したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の
   無電極放電灯装置。