JPS6329438A

JPS6329438A - 低圧放電灯

Info

Publication number: JPS6329438A
Application number: JP17152686A
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: 1986-07-23
Filing date: 1986-07-23
Publication date: 1988-02-08

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ｆ
Ｉ！極楕成にし、−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〕

一ヒ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、ネオ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１５ｍ＋ａ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ろことを発見した
。

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は放電用ガスがネオン２　、
５　Ｔｏｒｒ＋曲線Ｂはネオン２　、５　Ｔｏｒｒと水
銀蒸気１　、９　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとの混合ガス、
曲線Ｃはネオン２　、５　Ｔｏｒｒと水銀蒸気０　、０
９　Ｔｏｒｒ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１５＋ｍ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１５ｎｍ
ｍ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ネオンで
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１５ｍｍ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Ｗｋ、
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　、　１１３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Φ＾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１５ｎｕ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Ｖ＾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１５＋
＋＋ｍ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、ネオ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１５Ｉ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飛散した
電子数ＩＡ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１極掃
成にすると、長時間点灯しても放電容器の５１０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、ネオ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
きないゆしたがって、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もが成でも
、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、ネオ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、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Ｗ＾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１５１ｆｆ１１以下、放電用ガスの主
成分はネオン、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Ｖしは約１８Ｖ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２７％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　Ｂ６．　Ｂａ２ＣａＷＯ８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、○■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，（Ｂ　ａ　、Ｓ　ｒ、Ｃａ）
Ｏ。

Ｂａ２ＣａＷＯ８＋　ＬａＢｅ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■が１５ｍ以下で、放電用ガスとして
ネオ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
性を調へた。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（ＰＯ４）ｚ・ｃａ（Ｆ
、ＣＱ）ｚ：Ｓｂ。

Ｍｎや３　Ｓ　ｒａ（ＰＯａ）２・Ｓ　ｒ　Ｆ２：　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Ｓｒ○
・ＳｒＦ２・２Ｂ２０３　：　Ｅ　ｕ　、　５ｒｚＰｚ
（ｈ　：Ｅｕ、Ｓ　ｒＩＩ（ＰＯ４）ａｃＲ：　Ｅｕ、
（Ｓ　ｒｅ　Ｃａ）ｓ（Ｐ　０４）ａｃ　Ｑ　：Ｅ　ｕ
　、　ＢａＭｇｚＡ　Ｑ　１ｅｏｚ７：　Ｅ　ｕ　（Ｂ
　ａ　。

Ｃａｒ　Ｍｇ）６（ＰＯ４）３ＣＩ２　：　Ｅｕ、（Ｃ
ｅ、Ｔｂ）ＭｇＡＱ　１１０１９．ＬａＰＯ４：　Ｃｅ
　＋　　Ｔ　ｂ　、Ｙｚ○３：Ｅｕ。

Ｙ（Ｐ、■）０４：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９価格などの
点から、タイ）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　ｉ０２．Ｐ２Ｏ３，
５ｂｚｏｓ。

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１５ｆｌｘ１１以下で、アルゴン
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し、さら
に一対の電極を球のほぼ中心部に設けると、放電灯の効
率は最大になった。

陰極と陽極間の距離が１５ｏｎ以下で、放電用ガスとし
てネオ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ＬａＰＯ４：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２０　ｎｕから６０論の間に
おいて高効率が得られた。球の直径が２０　ｎｕよりも
小さい場合には電極などによる光の吸収の′υ］合が大
きくなり効率が低下し、球の直径が６０　ｎｒ。

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３５ｍ＋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６０℃において最大になり、８０”Ｃ以
下において高効率が得られた。最冷部の温度が８０’Ｃ
以上では、水銀の蒸気圧が高くなりすぎ、水銀の共鳴線
の自己吸収が大きくなって効率が低−卜する。最冷部の
温度が低下しても効率も低下しないのは、ネオンの発光
が強いからである。

〔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代圧放電灯において
、放電用ガスの主成分をネオンとし、かつ、陰極と陽極
間の距離を１５哨以下にすると、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、放電用ガストシてネオンと
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、高効率テ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　Ｄ、　ｘｏｓ、　Ｓ　
ｉ　Ｏｚ、　ＰｚＯ１ｒ＊　５ｂｚＯａ＋Ｍ　ｇ　Ｏ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Ｂａｙ　ＢａＯ，ＢａｚＣａＴｏ
ｙＬａＢｓ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しこなり、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４０ｍ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　２０３層５が塗布されており
、その上にＹ２Ｏ３：ＥとＬａＰＯａ　：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。ＡＱｚＯｓの層５は、粒径約２０ｍμｍのＡＱ
ｚＯｓ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）Ｏ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１．２ｍ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２　、５　Ｔｏｒｒ
のネオ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１８Ｖ
で放電でき、かつ効率３７ΩｍＷ”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
６０℃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８ｍにし、かつ陽極の表面にＢａｚＣａＷ
Ｏａ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。

電極構成および放電容器の大きさは第１の実施例と同一
で、ただし蛍光体およびＡ　Ｑ　２０３の膜が無く、封
入ガスをネオン２　、５　Ｔｏｒｒにした別の実施例に
おいては、放電流０．３Ａ　で放電したところ、陰極を
外部から加熱しなくても放ｙＩ！電圧２２Ｖで放電でき
、かつ効率２０　Ｑ　ｍ　Ｗ−１の赤色光の高効率低圧
放電灯が得られた。

上記の水銀を含まない実施例においても、長時間の点灯
によってガラスが黒化した。この黒化は、ガラスの内表
面上にアルミニウムアルコキシドを利用して形成した透
明なＡＱｚＯｓ層を設けることにより、防止できた。

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９圃長さ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。

上記の放電灯しこおいて、陰極１と陽極２の間の最短距
離Ｑを４ｎｎにして、放電電流０．３Ａ　で放電したと
ころ、！＋３極を外部から定常１．テに加熱しなくても
放電電圧は１８Ｖで放電でき、かつ効率３３　Ｑ　ｍＷ
−”ノアＬ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６０℃であった。

上記の低圧放電灯において、円筒状陽極２を金属製の刈
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ｌ
−Ｉ！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、（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。

上記の放電灯において、陰極１と陽極２の間の長短距離
Ｑを２鵬にして、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
、１１と外部から定常時に加熱しなくても放電電圧１８
Ｖ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
。

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、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、３１．電子放射物質、４
・・・球状放電容器、５・・コーティング層、６・・・
希土類元茅　ｊ　図５　　Ａｌｚ（ｈ、ｔＮ乙　４ｚ％力り案了す）占を七５Ｃ本層ス菖　Ｚ　口階極−關極間づ瞳（ｍ１机）茅３　図直イ盃　　（ヶっジ覆　４プ希玲仰混乃（″り篤　５　図ｊ陰極６　ｊ←」二（１聾］こ、１噸イーｒ５名勺セラ１＋夏
　乙　区２陽極すか濁尤青付活を光体ｔ　７　図６　　ＩｆＪ：類元１９寸地便ｅ尤クト■　８　図３９　図１１電独

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
ガスの主成分をネオンとし、かつ上記電極間の最短距離
を１５ｍｍ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、かつ放電用ガスをネオ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、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、上記電極を上記球状放電容器のほぼ中心部に設けた
ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の低圧放電
灯。９、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。１０、静止した２５℃の空気中で点灯した時の最冷部の
温度が８０℃以下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。１１、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＿５、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１項から第１０項までのいずれ
か１つの項記載の低圧放電灯。