JPS6326940A

JPS6326940A - 低圧放電灯

Info

Publication number: JPS6326940A
Application number: JP16973486A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Matsuno; 博光松野; Seiichi Murayama; 村山　精一; Tetsuo Ono; 哲郎小野; Tadashi Narisei; 成清　正
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-07-21
Filing date: 1986-07-21
Publication date: 1988-02-04

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】〔産業上の利用分野〕本発明は低圧放電灯に係り、特に陰極と陽極間の距離が
小さく、陽極降下電圧がない小形の低圧放電灯に関する
。

〔従来の技術〕

従来、陰極と陽極間の距離が小さい小形の低圧放電灯と
しては、特開昭５８−４２１５８号公報に記載の片口金
型放電ランプが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の低圧放電灯は、定常時に陰極を外部から加熱
しながら放電を行うものである。したがって、従来の低
圧放電灯においては、［ｔｉ加熱用電源と放電用電源の
二個の電源を必要とする問題があった。また、陰極加熱
用電力が定常的に必要なため、効率もそう高くならない
。

本発明の目的は、陰極の定常的な外部加熱をなくした電
極構成にし、−個の電源だけで点灯でき、かつ高効率で
、動程特性のすぐれた低圧放電灯を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明者等は陰極と陽極間
の距離が比較的短く、キセノンを主成分とした放電用ガ
スを使用した低圧放電灯において、種々の検討を行った
。その結果、陰極と陽極間の距離を１８ｍｍ以下にする
と、陰極を外部から加熱しなくても低電圧で放電でき、
かつ効率のよい低圧放電灯が得られることを発見した。

第２図に、陰極と陽極間の距離と放電電圧の関係を示す
。第２図において、曲線Ａは放電用ガスがキセノン２　
、５　Ｔｏｒｒ、曲線Ｂはキセノン２．５Ｔｏｒｒと水
銀蒸気１　、９　Ｘ　１０”−’Ｔｏｒｒとの混合ガス
。

曲線Ｃはキセノン２　、５　Ｔｏｒｒと水銀蒸気０．０
９Ｔｏｒｒとの混合ガスを使用した場合で、放電電流は
すべて０．３Ａである。第２図から明らかなように、放
電電圧は、＃Ｓ極とＶ：陽極の距離が１８ａｗｎを越え
ている場合には高い値であるが、陰極と陽極間の距離１
８１ｎＩ１１において急激に低下し、陰極と陽極間の距
離によらない一定の低い値になった。また、放電電圧が
急激に低下する陰極と陽極の距離は、放電ガスの主成分
がキセノンである場合には、水銀蒸気などが混入されて
も、放電電流や放電容器の大きさなど変化しても、大き
くは変らずほぼ１８ｍｍであった。

一般に、陰極と！ｍ極間の距離が短い低圧放電灯におい
ては、陽光柱プラズマが存在しないので放電電圧ｖしは
、陰極降下電圧をＶｂ、陰極の仕事関数をＷ　ｍ　、　
　陽極降下電圧をＶ＾、陽極の仕事関数をＷ＾とすると
、（１）式で表わされる。

ＶＬ＝　（ＶｋＷ−）　＋（ＶＡ＋ＷＡ）　　”・（１
）また、放電電流をＩＬ、陰極降下に伴う光放射束をΦ
に、　ＰＪｈ極降下に伴う光放射束をΦ＾とすると低圧
放電の光放射の効率ηは（２）式で表オ）せる。

陽極降下部からの光放射束Φ＾は、ＩＩ３極降下に伴う
光放射束ΦＫに比較すると、非常に小さく、無視できる
程度である。すなわち、陽極降下電圧Ｖ＾は、放電電圧
を高くし、かつ陽極を加熱して損失となり、光放射の効
率を低下させる原因となっている。

第２図において、陰極と陽極間の距離が１８ｍｎ＋以下
において放電電圧が低下する原因は、プローブ測定など
から、陽極降下電圧■＾が急激に零に近づくことによる
ことがわかった。すなわち、陰極と陽極間の距離が１８
＋ｎ＋ｎ以下においては、放電電圧は大幅に低下するが
、光放射はほとんど低下せず、したがって高効率が得ら
れる。

以上のように、キセノンを主成分とした低圧放電灯にお
いては、陰極と陽極間の距離が１８ｎｗｎ以下において
、外部から陰極を加熱することなしに低重圧で放電でき
、かつ効率の高い低圧放電灯が得られることがわかった
。

上記の結果は、陽極と陰極を使用した直流放電における
ものであったが、この結果は、交流放電へも直接適用で
きることは自明である。

一般の蛍光灯は陽光柱プラズマを利用しているのに対し
、本発明の低圧放電灯においては陰極近傍のプラズマを
利用している。したがって本発明の放電灯においては長
時間の点灯によって放電容器の内壁に陰極から酸敗した
電子放射物質が付着し、その結果、光の透過率が低下し
、放電灯の効率が低下しやすい。本発明者等は、第６図
に示したように、陽極２が陰極１を囲むような電極構成
にすると、長時間点灯しても放電容器の光の透過率が低
下せず、高効率を維持できることを発見した。この機構
は以下のようであると思われる。陰極から飛散した電子
放射物質は、キャノン中を拡散によって移動するが、そ
の大部分は放電容器と陰極の中間に存在する陽極の内面
および外面に付着してしまい、放電容器まで到達できな
い。したがって、放電容器の透過率は低下しない。一方
、陰極と陽極間で発生した高エネルギーのプラズマは１
円筒状陽極２の両端から放電容器の空間全体に拡散して
ゆくので、陽極が陰極を囲むような電極構成でも、放電
灯の効率はあまり低下しない。

本発明者等は、また、第７図に示したように、陰極１が
陽極２を囲むような電極構成にすると、長時間点灯して
も放電容器の光の透過率が低下せず、高効率を維持でき
ることを発見した。上記の電極構成による高効率の維持
の機構は、以下のようであると思われる６すなわち、陰
極から飛散した電子放射物質は、光のように直進するの
ではなく、キャノン中を拡散によって移動する。したが
って、陰極の近傍に電子放射物質を付着する物体が存在
すると、飛散した電子放射物質の大部分は陰極近傍の物
体に向って拡散してゆき、放電容器への電子放射物質の
移動は少なくなる。本発明の低圧放電灯においては、陰
極に囲まれた構成で存在する陽極が、電子放射物を付着
する物体になっており、１１３極から飛散した電子放射
物質の大部分は陽極に付着し、放電容器の内壁への１寸
々址は小さい。したがって、放電容器の透過率は低下せ
ず。

高効率が維持される。

（２）式から明らかなように、陽極の仕事関数Ｗ八が小
さくなると、放電灯の効率は増大する。たとえば、陰極
と陽極間の距離は１８圃以下、放電用ガスの主成分はキ
セノン、陰極はＢａＯを主成分とした電子放射物質を被
覆したタングステンコイル、陽極はニッケルを使用した
本発明の低圧放電灯においては、放電電圧ＶＬは約１０
ｖと低いのに対して、陽極の仕事関数Ｗ＾は４．８ｖも
あるので、陽極の仕事関数による損失は放電灯への電気
入力の４８％にもなる。したがって、本発明の低圧放電
灯においては、陽極の仕事関数を低下させることは、効
率の改善と特に著しい効果があることは明白である。

陽極の材料としては、タングステン、タンタルニッケル
などの高融点金属が望ましいが、これらの金属元素の仕
事関数はそれぞれ４．５，４．１゜４．８■である。こ
れらの金属の表面にＢａ。

ＢａＯ，Ｌ　ａ　Ｂｅ、　ＢａｚＣａＷＯｃから選ばれ
た少なくとも一種の層を設けると、仕事関数は１．２か
ら２．０ｖ程度まで低下し、その結果低圧放電灯の効率
は増大する６一般に、陰極にはＢ　ａ　Ｏ＊　（Ｂ　ａ　＋　Ｓ　ｒ
　＋　Ｃａ　）○。

Ｂａ２ＣａＷＯｅ、　Ｌ　ａ　Ｂ　ｅなどからなる熱電
子放射物質が使用使用される。陰極と陽極間の距離を小
さくすると、陰極から飛散した上記の熱電子放射物質が
陽極に付着し、陽極の仕事関数を低くり、ＢａＯなとの
物質を別途に陽極に被覆しなくても放電灯の効率を高く
する。陰極と陽極間の距離が８ｍ以下になると、陽極へ
の陰極からの飛散物質の付着が顕著になり、放電灯の効
率の改善が顕著になった。

特に、第６図のように陰極を陽極で囲むような電極構成
や、第７図のように陰極を陽極で囲むような電極構成に
おいては、陰極から飛散した電子放射物質は、効率よく
陽極に付着し、効率の改善が顕著になった。

陰極と陽極間の距離が１８＋＋＋ｎ＋以下で、放電用ガ
スとしてキセノンと水銀蒸気の混合ガスを使用した低圧
放電灯において、放電容器の内面に種々の蛍光体を塗布
して発光特性を調べた６その結果、従来の蛍光灯に最も
多く使用されている蛍光体である３Ｃａａ（ＰＯ４）ｚ
・Ｃａ（Ｆ、ＣＱ］ｚ：　Ｓｂ。

Ｍｎ　や３Ｓｒａ（Ｐ　○ｉ）ｚ　・　Ｓ　　ｒ　　Ｆ
”ｚ：　　Ｓ　　ｂ　　、　　Ｍｎ　等を使用した場合
には、短時間の点灯によって著しい光束劣化が発生した
。この光束劣化の機構は、必ずしも明確ではないが、以
下のようであると推測される。すなわち、本発明の低圧
放電灯は、−般の蛍光灯のように陽光柱プラズマを利用
しているのではな（、陰極近傍のプラズマを利用してい
る。したがって、プラズマ中には十数ポル１−の陰極降
下電圧に伴う高エネルギーの電子が存在し、したがって
、放電容器の壁に屑来する光および粒子も高エネルギー
を有している。この高エネルギーの光および粒子が蛍光
体を劣化させるものと考えられる。

一方、蛍光体として希土類元素付活蛍光体であろ５ｒＯ
−８ｒＦｚ・２Ｂ２０ａ：Ｅｕ、５ｒ２ＰｚＯ７：Ｅｕ
、５ｒ３（Ｐｏ４）３ｃＡ　：　Ｅｕ、（Ｓ　ｒ、Ｃａ
）Ｉ！１（ＰＯ４）ｇｃＲ：　Ｅｕ、ＢａＭｇｚＡＱｌ
ａＯｘｒ：　Ｅｕ（Ｉ３ａ。

Ｃａ　　、　　Ｍ　　ｇ）　　５（Ｐ　　○ｔ）ａｃｆ
ｌ　　二　Ｅｕ、　　（Ｃｅ、　　Ｔｂ）ＭｇＡｕ　１
ｘｏ１ａ、　ＬａＰＯａ　：　Ｃｅ　、　Ｔ　ｂ　、　
Ｙ２０ａ：Ｅｕ。

Ｙ　（Ｐ　、　Ｖ）Ｏ’４　：　Ｅ　ｕ　、などを使用
すると、光束劣化は著しく改善された。すなわち１本発
明の低圧放電灯においては、希土類元素付活の蛍光体を
使用して初めて実用可能になることがわかった。

上記の放電灯の放電容器としては、加工性２価格などの
点から、釦ガラスあるいはソーダ石灰ガラスが望ましい
。しかし、これらのガラスを使用した場合には、希土類
元素付活の蛍光体を用いても、長時間の点灯によってガ
ラスが黒化し、光束の劣化が発生した。高エネルギーの
粒子がガラスを黒化するものと思われる。ガラスと蛍光
体の中間に、ＡＱｚＯｓ、Ｓ　ｉＯｘ、ＰｚＯａ、５ｂ
ｚｏ！１ｖＭｇＯの少なくとも一種からなる緻密なコー
ティング層を設けると、高エネルギーの粒子はガラスま
で到達せず、ガラスは黒化せず、光束劣化も小さくなっ
た。

陰極と陽極間の距離が１８ｒＬｎ以下で、キセノンと水
銀蒸気の混合ガスを放電用ガスとした低圧放電灯におい
ては、放電プラズマはほぼ球状であった。したがって、
放電プラズマ中で発生した紫外線を、放電容器の内壁に
設けた蛍光体層によって可視に変換する方式の本発明の
低圧放電灯においては、蛍光体への紫外線の照射が均一
になるように放電容器の形状を概略球状にすると、放電
灯の効率は最大になった。

陰極と陽極間の距離が１８ａ＋ｍ以下で、放電用ガスと
してキセノンと水銀蒸気の混合ガスを使用し、放電容器
は内面に蛍光体層を設けた球状ガラスとした低圧放電灯
において、放電容器である球の内径と効率の関係を調べ
た。蛍光体は、Ｙ２Ｏ３：ＥｕとＬａ　ＰＯａ：　Ｃｅ
、Ｔｂ　　を６：４の割合で混合したものを使用した。

結果を第３図に示す。

放電容器である球の内径が２０ｎｍから６０ｎｏの間に
おいて高効率が得られた。球の直径が２０１ｆｆｌより
も小さい場合には電極などによる光の吸収の割合が大き
くなり効率が低下し、球の直径が６０ｆｌｎ以上におい
ては放電プラズマと放電容器の壁との距離が大きくなり
すぎ、水銀原子による紫外線の吸収が大きくなり効率が
低−ドするものと思われる。

球状放電容器の内径を３５（１）にした上記の低圧放電
灯において、放電灯の最冷部の温度と効率の関係を、温
度２５℃の静止した空気中において調べた。結果を第４
図に示す。通常の蛍光灯における効率は約４０℃で最大
になるのに対して、本発明の低圧放電灯における効率は
最冷部の温度が９５℃において最大になり、７０から１
１０の範囲において高効率が得られた。

〔作用〕

気密に形成された放電容器内に少なくとも１個の陰極と
１個の陽極と放電用ガスを封入した低圧放電灯において
、放電用ガスの主成分をキセノンとし、かつ、陰極と陽
極間の距離を１８調以下にすると、陽極降下電圧が生じ
なくなり、低電圧で放電でき、かつ効率の高い放電灯が
得られる。

上記の低圧放電灯において、放電用ガスとしてキセノン
と水銀蒸気の混合ガスを用い、放電容器の内壁に希土類
付活蛍光体を設けると、高効率で光束劣化の小さい放電
灯が得られる。また、上記の低圧放電灯において、蛍光
体と放電容器用ガラスの中間にＡ　Ｑ　２０８．　Ｓ　
ｉ　Ｏｚ＋　Ｐｘ○−／　ｌ　Ｓ　ｂ　ｘ　Ｏｓ　＋Ｍ
ｇＯなどの層を設けると、放電プラズマ中で発生した高
エネルギーの粒子がガラスまで到達できず、したがって
ガラスの黒化がなくなり、光束劣化が改善される。

上記の放電灯の陽極にＢａ、ＢａＯ，ＢａｚＣａＷｓ。

ＬａＢｅの少なくとも一種の層を設けると、陽極の仕事
関数が低下し、効率が上昇する。

上記放電灯の容器の形状と概略球状にすると、放電容器
の管壁に飛来する紫外線の分布が均一になり、その結果
、放電灯の効率が上昇する。

上記の低圧放電灯において、陰極が陽極を囲むような電
極構成あるいは陽極が陰極を囲むような電極構成にする
と、Ｉ１３極から飛散した電子放射物質が効率よく陽極
に付着するので、陽極の仕事関数が低下して高効率が得
られ、かつ放電容器への電子放射物質の付着量が小さく
なり、高効率を長時間維持できる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す、第１図において、４
は直径３０ｍｍの球状のソーダ石灰ガラス製の球状の放
電容器で、内面にはＡ　Ｑ　ｘ　Ｏａ層５が塗布されて
おり、その上にＹｚＯａ：Ｅと１ａＰＯａ　？Ｃｅ、Ｔ
ｂを６：４で混合した希土類元素付活蛍光体の層が設け
られている。ＡＱｚＯａの層５は、粒径約２０　ｍ　ｐ
　ｍのＡＱｚＯａ粉を水中に分散させ、これを塗布する
方法で形成した。

球状放電容器４のほぼ中心に、タングステン二重コイル
からなる陰極１が設けられており、１Ｉ３ｒ＋１には（
Ｂａ、Ｓｒ、Ｃｎ）○を主成分とした熱電子放射物質３
が塗布されている。陽極２は、直径１．２＋ｎｍのニッ
ケル捧で、陽極２の一部は電気絶縁スリーブ７で覆われ
ている。

上記の放電容器に放電用ガスとしてＩ　Ｔｏｒｒのキセ
ノンと水銀粒を封入した。

上記の放電灯において、陰極１と陽極２の間の距離Ωを
４冊にして、放電電流０．３Ａで放電したところ、陰極
を外部から定常時に加熱しなくても放電電圧はＩＯＶで
放電でき、かつ効率１６ＱｍＷ−”の高効率低圧放電灯
が得られた。なお、この時の最冷部は封止部８になり、
約８０℃であった。

上記の実施例と同様な低圧放電灯において、陰極と陽極
間の距離Ｑを８Ｉにし、かつ陽極の表面にＢａ２Ｃａｌ
ｊＯｅ粉を塗布したところ、上記の実施例とほぼ同一の
特性の低圧放電灯が得られた。この実施例のように陰極
と陽極間の距離が比較的大きいと、電極の配置組み立て
が簡単であるという利点が生ずる。

本発明の別の実施例を第５図に示す。この実施例の放電
灯においては、陽極２は板状をしており、かつ陰極２に
沿って設けられている。したがって、陽極２は陰極１か
ら飛散した熱電子放射物質を効率よく捕集できるという
利点を有している。

本発明の別の実施例を第６図に示す。内直径９ｍ長さ７
ｍの中空ニッケル円筒の陽極２が陰極１を囲むように設
けられている。

上記の放電容器に放ｆｕ用ガスとして１Ｔｏｒｒのキセ
ノンと水銀粒を封入した。

上記の放電灯において、陰極］と陽極２の間の最短距ｍ
ρを４　ｎｍ目こして、放な電流０．３Ａ　で放電した
ところ、陰極を外部から定常時に加熱しなくても放電電
圧はＩＯＶで放電でき、かつ効率１３　Ｑ　ｍ　Ｗ−”
の高効率で、さらに高効率が長時間維持できる低圧放電
灯が得られた。なお、この時の最冷部は封止部８になり
、約８０℃であった。

上記の低圧放電灯において１円筒状陽極２を金属製の鋼
あるいは小さな穴が多数段けである穴あき金属板にする
と、陰極１と陽極２の間のプラズマから放射される光も
有効に使用でき、さらに高効率が得られる。

本発明の別の実施例を第８図に示す。この実施例の放電
灯においては、陽極２はコイル状をしており、陰極を囲
むようにかつ陰極２に沿って設けられている。この電極
構成は製造が簡貼であるという利点がある。

本発明の別の実施例を第７図に示す。

球状放電容器４の中心部に、直径１．２川のニッケル捧
からなる陽極２が設けられており、この陽極２を囲むよ
うに陰極１が設けられている。陰極１はタングステンの
三重コイルで、（ｎａ、Ｓｒ。

Ｃａ　）○を主成分とした電子放射物質３が塗布されて
いる。

上記の放電灯において、陰極１と陽ｐｉ４２の間の長短
距離Ｑを２圃にして、放電電流０．３Ａで放電したとこ
ろ、陰極から飛散した電子放射物質が効率よく陽極に付
着し、陰極と外部から定常時に加熱しなくても放１１電
圧１０Ｖという低電圧で放電でき、かつ１６ｆ１ｍＷ−
’という＾′６効率が得られ、さらにこの高効率が長時
間維持できる低圧放電灯が得られた。

なお、上記の実施例の放電灯の最冷部は、封止部８で、
その温度は約８０℃であった。

本発明の別の実施例を第９図に示す。電子放射物質を塗
布した電極１０．１１が１球状放電容器４の中心部に設
けられている。この放電灯は交流電源で点灯でき、点灯
回路が安価になるという利点がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、陰極を外部から定常時に加熱しなくて
も低電圧で放電でき、かつ高効率である低圧放電灯が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第２図から第４図は本発明の原理を示すグラフ、第１図
および第５図、第６図、第７図、第８図。第９図は本発明の低圧放電灯の断面図である。１・・・陰極、２・・・陽極、３・・・電子放射物ヱし
４・・・球状放電容器、５・・・コーティング層、６・
・・希土類元−Ｎｃつ廿Ｖ＞鳩Ｎ　　Ｓ＼簗−一東ミ罵３　図直ＫＬ　　（ｍ／ＷＬ、）蔓　！ｉ　図景、＋野温厘（°すＴ　５　刀第　７　図

Claims

【特許請求の範囲】１、気密に形成された放電容器内に少なくとも一対の電
極と放電用ガスとを封入した低圧放電灯において、上記
ガスの主成分をキセノンとし、かつ上記電極間の最短距
離を１８ｎｍ以下にしたことを特徴とする低圧放電灯。２、上記一対の電極の１個を陰極、他の１個を陽極とし
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の低圧放
電灯。３、上記陰極を上記陽極で囲むような電極構成としたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の低圧放電灯
。４、上記陽極を上記陰極で囲むような電極構成としたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の低圧放電灯
。５、上記放電容器の内面に希土類元素付活蛍光体膜を設
け、かつ放電用ガスをキセノンと水銀蒸気との混合ガス
としたことを特徴とする特許請求の範囲第１から第４項
までのいずれか１つの項記載の低圧放電灯。６、上記陽極に、Ｂａ、Ｂａ〇、ＬａＢ＿６、Ｂａ＿２
ＣａＷＯ＿６の少なくとも一種の層を設けたことを特徴
とする特許請求の範囲第２から第４項までのいずれか１
つの項記載の低圧放電灯。７、上記放電容器の形状を概略球状にしたことを特徴と
する特許請求の範囲第５項記載の低圧放電灯。８、上記球状放電容器の内径が２０ｎｍから６０ｎｍの
範囲にあることを特徴とした特許請求の範囲第７項記載
の低圧放電灯。９、静止した２５℃の空気中で点灯した時の最冷部の温
度が７０℃から１１０℃の範囲にあることを特徴とした
特許請求の範囲第５項記載の低圧放電灯。１０、上記放電容器の材質をソーダ石灰ガラスあるいは
鉛ガラスとし、上記ガラスと蛍光体の中間とＡｌ＿２Ｏ
＿３、ＳｉＯ＿２、Ｐ＿２Ｏ＿５、Ｓｂ＿２Ｏ＿５、Ｍ
ｇＯの少なくとも一種からなる層を設けることを特徴と
した特許請求の範囲第５項記載の低圧放電灯。