JPS6329437A - 低圧放電灯 - 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】 〔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、陰極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
ある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、ヘリウム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１４ｍ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は放電用ガスがヘリウム２　
、５　Ｔｏｒｒ、曲線Ｂはヘリウム２．５Ｔｏｒｒと水
銀蒸気１　、９　Ｘ　１０””Ｔｏｒｒとの混合ガス、
曲線Ｃはヘリウム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、陰極と陽極の距離が１４ｎｎ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１４ｍ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？ａ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ヘリウムであ
る場合には、水銀蒸気などが混入されても、放？２！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１４ａｎであった。

一般に、陰極と陽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ＶＬは、
陰極降下電圧をＶ　ｈ　、　　陰極の仕事関数をＷ　ｋ
、　　陽極降下電圧をＶｈ、陽極の仕事関数をＷ＾とす
ると、（１）式で表わされる。

ＶＬ＝　（Ｖｈ−Ｗｋ）＋　（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、陽極降下に伴う光放射束をΦＡとすると低圧
放電の光放射の効率ηは（２）式で表わせる。

陽極降下部からの光放射束Φ＾は、陰極降下に伴う光放
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■＾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１４ｏ＋＋以下
において放ｆｌ！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
１４−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、ヘリウム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ＩＮ：＠が１４１ｍ＋以下に
おいて、外部から陰極を加熱することなしに低電圧で放
電でき、かつ効率の高い低圧放′七灯が得られることが
わかった。

上記の結果は、陽極と除用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飛散した
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、ヘリウム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、
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。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、ヘリウム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、陰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付着量は
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ＷΔ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１４ｎｒｎ以下、放電用ガスの主成分
はヘリウム、陰極はＢａＯを主成分トＩ、り電子放射物
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２１Ｖと低いのに対して、陽極の仕事関数Ｗ＾は４．
８■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２３％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。

Ｂａ○＋　Ｌ　ａ　Ｂｓ、　ＢａｚＣａＷＯＢがら選ば
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２．０■程度まで低下し、その結果低圧放電灯の効
率は増大する。

一般に、陰極にはＢａＯ，（Ｒａ、Ｓｒ、Ｃａ）Ｏ。

［３ａｚＣａｌｊＯａ、　Ｌａｖａ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し、ＢａＯなどの物
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１′！！
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１４ｎ■以下で、放電用ガスとし
てヘリウム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。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（ＰＯａ）２・Ｃａ
（Ｆ、ＣＱ）２：　Ｓ　ｂ。

Ｍｎや３Ｓｒｓ（ＰＯａ）ｚ・５ｒＦｚ：　Ｓｂ、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側される。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く、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
ボルト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、放電容器の壁に飛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る５ｒＯ
−３ｒＦｚ・２Ｂ２０ａ　：　Ｅ　ｕ　、　５ｒｚＰｚ
Ｃｈ　：Ｅｕ、Ｓ　ｒ６（ＰＯ４）ａｃＱ　：　Ｅｕ、
（Ｓ　ｒ、Ｃａ）ｒ＋（ＰＯ４）ａｃＱ：　Ｅｕ、Ｂａ
ＭｇｚＡＱｔｓＯｚ７：　Ｅｕ（Ｂａ。

Ｃａ　＋　Ｍ　ｇ　）　ａ（Ｐ　０４）３ＣＱ　：　Ｅ
　ｕ　＊　（Ｃｅ　＋　Ｔ　ｂ　）ＭｇＡＱｔｔＯｌｓ
、ＬａＰＯ４：　Ｃｅ、　Ｔｂ、Ｙ２Ｏ３：　Ｅｕ。

Ｙ　（Ｐ、Ｖ）Ｏａ：　Ｅｕ、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、本発明の旺圧放電
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、鉛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、Ａαｚｏａｔ　Ｓ　ｉ　０２．　Ｐ２０ａ
、５ｂｚＯ５゜ＭｇＯ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１４ｏｎ以下で、ヘリウムと水銀
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１４ｍｍ以下で、放電用ガスとし
てヘリウム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、Ｙｚ○３：ＥｕとＬ　ａ　Ｐ　Ｏ４：　Ｃ
ｅ　、　Ｔ　ｂ　　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２０圃から６０ｎｎの間にお
いて高効率が得られた。球の直径が２０ｎｎ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６０ｏｍ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下する
ものと思われる。

球状放電容器の内径を３５＋ｎｎ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°Ｃ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６０℃において最大になり、４０°か
ら９０”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ヘリウムとし、かつ、陰極と陽
極間の距離を１４ｍｍ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、放電用ガスとしてヘリウム
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　２０ｓ、ＳｉＯ
２，Ｐ２Ｏ７，５ｂｚＯ５＋Ｍｇｏ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Ｂ　ａ　＋　Ｂ　ａ　Ｏ＋　Ｂａ
ｚＣａＷｅ＋ＬａＢ５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、陰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４０ＩＩｎ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ＡＱｚＯａ層５が塗布されており
、その上にＹ２Ｏ３：ＥとＬａＰＯｔ　：Ｃｅ、Ｔｂ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。Ａ　Ｑ　２０３の層５は、粒怪約２０ｍμｍの
Ａ　Ｑ　２０３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、陰極１には（Ｂａ、
Ｓｒ、Ｃａ）○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国のニッケル棒で、
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５　Ｔｏｒｒのヘリ
ウム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Ｑを
４ｍ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２１Ｖ
で放電できる、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８ｍｍにし、かつ陽極の表面にＢａｚＣａ
ＷＯｅ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ｒｉＡ
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隼できると
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
薗の中空ニッケル円筒の陽ｒ４２が陰極〕を囲むようし
こ設けられている。

上記の放電容器に放電用ガスとして１「ｏｒｒのヘリウ
ムと水銀粒を封入した。

上記の放電灯において、ＩＩ３極１と陽極２の間の最短
距ＭＱを４ｍ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″、１
電圧は２１Ｖで放電できる高効率放電灯が得られ、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を金属製の網
あるいは小さな穴が多数設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
構成は製造が簡単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１．２ｍのニッケル棒
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が設けら九ている。陰極１はタングステンの
三重コイルで、（Ｂａ、Ｓｒ。

Ｃａ）Ｏを主成分とした電子放射物質３が塗布されてい
る。

上記の放電容器しこ放Ｔヒ用ガスとして５　Ｔｏｒｒの
ヘリウム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の間の長短距離
２を２ｎｎ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電電圧２
１Ｖという低電圧で放電でき、かつ高効率が得られ、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１．０．１１が、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図から第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・・・電子放射物質、４
・・・球状放電容器、Ｓ・・・コーティング層、６・・
・希土類元素付活蛍光体膜。 叉−パ 亨　１　口 １　陰極 ５　　Ａｌ、θ３屑 ｂ　　　−ｈ」二二古１ｐう〔、李イて丁じづ１弓そう
でＬイフトミ弔　　Ｚ　図 ？含木セーΣ歌イ÷ｂ月翻向１（〃ｎ−ｉ〕篤　３　図 Ｊｌ　ｑ蚤　（ｑへη７し） 箭　４　図 ４６　ン＋８Ｐ　渫ノ菫　（・ごジ Ｗ　５　図 第　７　凹

Claims (1)

1. 【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
   ガスの主成分をヘリウムとし、かつ上記電極間の最短距
   離を１４ｍｍ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、かつ放電用ガスをヘリウム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、ＢａＯ、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２０ｍｍから６０ｍｍ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４０℃から９０℃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との中間とＡｌ＿２
   Ｏ＿３、ＳｉＯ＿２、Ｐ＿２Ｏ＿６、Ｓｂ＿２Ｏ＿５、
   ＭｇＯ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。