JP2003249196A - マイクロ波無電極放電ランプ点灯装置 - Google Patents
マイクロ波無電極放電ランプ点灯装置Info
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-
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- H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
- H01J61/18—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent
- H01J61/20—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent mercury vapour
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 発光効率が高いマイクロ波無電極放電ランプ
点灯装置を提供する。 【解決手段】 マイクロ波を発生するマグネトロン１
が、マイクロ波を低損失で伝達するための導波管３に接
続され、導波管３は結合孔４を介して空洞共振器５に接
続されている。空洞共振器５内において比較的高電界強
度分布になるほぼ中央部には、気密な石英からなるバル
ブ６が、石英からなる支持棒７により側面部５ａの底面
に固定・配置されており、バルブの直径は２７ｍｍで、
その内部には希ガスたるアルゴンＡｒ：３０Ｔｏｒｒ、
水銀Ｈｇ：４０ｍｇ、セリウム沃化物ＣｅＩ3：５ｍ
ｇ、ナトリウム沃化物ＮａＩ：１０ｍｇが封入されて、
発光物質であるセリウムＣｅとナトリウムＮａとのモル
比は約１：７の比率となっている。
点灯装置を提供する。 【解決手段】 マイクロ波を発生するマグネトロン１
が、マイクロ波を低損失で伝達するための導波管３に接
続され、導波管３は結合孔４を介して空洞共振器５に接
続されている。空洞共振器５内において比較的高電界強
度分布になるほぼ中央部には、気密な石英からなるバル
ブ６が、石英からなる支持棒７により側面部５ａの底面
に固定・配置されており、バルブの直径は２７ｍｍで、
その内部には希ガスたるアルゴンＡｒ：３０Ｔｏｒｒ、
水銀Ｈｇ：４０ｍｇ、セリウム沃化物ＣｅＩ3：５ｍ
ｇ、ナトリウム沃化物ＮａＩ：１０ｍｇが封入されて、
発光物質であるセリウムＣｅとナトリウムＮａとのモル
比は約１：７の比率となっている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波エネル
ギーにより無電極放電ランプを発光させるマイクロ波無
電極放電ランプ点灯装置に関するものである。
ギーにより無電極放電ランプを発光させるマイクロ波無
電極放電ランプ点灯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のマイクロ波無電極放電ランプ点灯
装置については日本国特許第３１９６６５３号に示され
るような空洞共振器によるものがあり、これは空洞共振
器を利用してマイクロ波のエネルギーを共振させるもの
で、石英ガラスなどの透光性部材の内部に希ガスや金属
などの封入物質を封入した無電極放電ランプたるバルブ
は、金属からなる空洞共振器の内部に配置されている。
装置については日本国特許第３１９６６５３号に示され
るような空洞共振器によるものがあり、これは空洞共振
器を利用してマイクロ波のエネルギーを共振させるもの
で、石英ガラスなどの透光性部材の内部に希ガスや金属
などの封入物質を封入した無電極放電ランプたるバルブ
は、金属からなる空洞共振器の内部に配置されている。
【０００３】マグネトロンなどの発振器から発生したマ
イクロ波エネルギーは、導波管などを通じて伝搬し、マ
イクロ波導入用の結合孔により空洞共振器に結合され
る。そして、空洞共振器内には、好適なある寸法におい
て定在波が生じ、その共振エネルギーによりバルブに放
電が生じて、バルブに発生したプラズマは金属メッシュ
などの開口部を通じて外部に取り出される構成となって
いる。ここで主要な発光に関与する封入物質として、イ
ンジウムハロゲン化物が用いられている。
イクロ波エネルギーは、導波管などを通じて伝搬し、マ
イクロ波導入用の結合孔により空洞共振器に結合され
る。そして、空洞共振器内には、好適なある寸法におい
て定在波が生じ、その共振エネルギーによりバルブに放
電が生じて、バルブに発生したプラズマは金属メッシュ
などの開口部を通じて外部に取り出される構成となって
いる。ここで主要な発光に関与する封入物質として、イ
ンジウムハロゲン化物が用いられている。
【０００４】また、特開平１０−２２８８８６号公報に
開示されたバルブには主要な発光に関与する封入物質と
して、Ｓ（硫黄）あるいはＳｅ（セレン）が用いられて
いる。
開示されたバルブには主要な発光に関与する封入物質と
して、Ｓ（硫黄）あるいはＳｅ（セレン）が用いられて
いる。
【０００５】さらに、米国特許４８１０９３８号あるい
は５３６３０１５号に開示された点灯装置では、図１４
に示すように、バルブ１３の外周に巻いたコイル１１に
バラスト１０からＭＨｚ帯域の高周波電流を流すことで
誘導電界をバルブ１２内に発生させ、バルブ１２内の封
入物質を放電、発光させている。これらの従来例では実
質的に水銀を含まない構成となっている。
は５３６３０１５号に開示された点灯装置では、図１４
に示すように、バルブ１３の外周に巻いたコイル１１に
バラスト１０からＭＨｚ帯域の高周波電流を流すことで
誘導電界をバルブ１２内に発生させ、バルブ１２内の封
入物質を放電、発光させている。これらの従来例では実
質的に水銀を含まない構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】日本国特許第３１９６
６５３号に示される従来例においては、その発光効率が
低いという問題があり、１００ｌｍ／Ｗ以下である。
６５３号に示される従来例においては、その発光効率が
低いという問題があり、１００ｌｍ／Ｗ以下である。
【０００７】また、特開平１０−２２８８６６に開示さ
れたバルブは、主要な発光に関与する封入物質としてＳ
（硫黄）あるいはＳｅ（セレン）が用いられており、こ
れらはその発光分布スペクトルが示すように５５０ｎｍ
付近の緑色発光の強度が比較的強く、色度座標上での黒
体軌跡から緑方向にずれたいわゆる緑がかった白色とな
り、人間の目に違和感を生じさせるという問題があり、
これを補正するために色フィルターを使用すると発光効
率が低下してしまう。
れたバルブは、主要な発光に関与する封入物質としてＳ
（硫黄）あるいはＳｅ（セレン）が用いられており、こ
れらはその発光分布スペクトルが示すように５５０ｎｍ
付近の緑色発光の強度が比較的強く、色度座標上での黒
体軌跡から緑方向にずれたいわゆる緑がかった白色とな
り、人間の目に違和感を生じさせるという問題があり、
これを補正するために色フィルターを使用すると発光効
率が低下してしまう。
【０００８】米国特許４８１０９３８号あるいは５３６
３０１５号に開示されたバルブは、水銀を含まない構成
としているが、水銀を封入すると、動作前のランプイン
ピーダンスと放電維持時のランプインピーダンスとが水
銀の高い蒸気圧により大きく異なることになり、整合に
不都合が生じてしまうという問題がある。具体的には放
電維持時のランプインピーダンスに予め整合させておく
と始動が困難になり、逆に動作前の状態に予め整合させ
ておくと放電維持状態に至るまでにバルブが消えてしま
ういわゆる立ち消え現象を生じたり、放電維持時に不整
合となり電力反射による効率低下が生じたりする。
３０１５号に開示されたバルブは、水銀を含まない構成
としているが、水銀を封入すると、動作前のランプイン
ピーダンスと放電維持時のランプインピーダンスとが水
銀の高い蒸気圧により大きく異なることになり、整合に
不都合が生じてしまうという問題がある。具体的には放
電維持時のランプインピーダンスに予め整合させておく
と始動が困難になり、逆に動作前の状態に予め整合させ
ておくと放電維持状態に至るまでにバルブが消えてしま
ういわゆる立ち消え現象を生じたり、放電維持時に不整
合となり電力反射による効率低下が生じたりする。
【０００９】本発明は、上記事由に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、発光効率が高いマイクロ波無電極
放電ランプ点灯装置を提供することにある。
であり、その目的は、発光効率が高いマイクロ波無電極
放電ランプ点灯装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、マイ
クロ波エネルギーを発生する手段と、マイクロ波が導入
され，マイクロ波に対しては非透過性で、光に対しては
透過可能な部材が一部または全部に用いられて成るマイ
クロ波共振器と、マイクロ波エネルギーを前記マイクロ
波共振器に結合するための手段と、前記マイクロ波共振
器内に配置された透光性材料から成り、前記透光性材料
内に、希土類ハライド、ナトリウムハライド、一定量以
上の水銀、及び希ガスから構成された封入物質を封入し
た気密なバルブとを備え、前記希土類ハライドが、セリ
ウム沃化物、あるいはプラセオジム沃化物、あるいはセ
リウム沃化物とプラセオジム沃化物との混合体を含むこ
とを特徴とする。
クロ波エネルギーを発生する手段と、マイクロ波が導入
され，マイクロ波に対しては非透過性で、光に対しては
透過可能な部材が一部または全部に用いられて成るマイ
クロ波共振器と、マイクロ波エネルギーを前記マイクロ
波共振器に結合するための手段と、前記マイクロ波共振
器内に配置された透光性材料から成り、前記透光性材料
内に、希土類ハライド、ナトリウムハライド、一定量以
上の水銀、及び希ガスから構成された封入物質を封入し
た気密なバルブとを備え、前記希土類ハライドが、セリ
ウム沃化物、あるいはプラセオジム沃化物、あるいはセ
リウム沃化物とプラセオジム沃化物との混合体を含むこ
とを特徴とする。
【００１１】請求項２の発明は、請求項１において、前
記希土類ハライドとナトリウムハライドとの封入モル比
率は、１：１〜１：１０の間であることを特徴とする。
記希土類ハライドとナトリウムハライドとの封入モル比
率は、１：１〜１：１０の間であることを特徴とする。
【００１２】請求項３の発明は、請求項１または２にお
いて、前記水銀の量は、前記気密バルブの内容積に対
し、２ｍｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする。
いて、前記水銀の量は、前記気密バルブの内容積に対
し、２ｍｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。
に基づいて説明する。
【００１４】（実施形態１）図１，２は本実施形態のマ
イクロ波無電極ランプ点灯装置の側面断面図及び斜視図
である。マイクロ波、ここでは例えば２．４５ＧＨｚの
周波数の電磁波（マイクロ波エネルギー）を発生するマ
グネトロン１（マグネトロンを駆動するための電源部は
ここでは図示せず）がマイクロ波を低損失で伝達するた
めの導波管３（断面は１０９ｍｍ×５４、５ｍｍの長方
形）に接続され、導波管３は結合孔４を介して空洞共振
器５に接続されている。
イクロ波無電極ランプ点灯装置の側面断面図及び斜視図
である。マイクロ波、ここでは例えば２．４５ＧＨｚの
周波数の電磁波（マイクロ波エネルギー）を発生するマ
グネトロン１（マグネトロンを駆動するための電源部は
ここでは図示せず）がマイクロ波を低損失で伝達するた
めの導波管３（断面は１０９ｍｍ×５４、５ｍｍの長方
形）に接続され、導波管３は結合孔４を介して空洞共振
器５に接続されている。
【００１５】空洞共振器５は高さ７５ｍｍの放物面形状
の側面部５ａと、直径１９０ｍｍの円形の天井面５ｂと
からなり、側面部５ａは可視光の反射率の高い、例えば
アルミニウムで構成されている。天井面５ｂは、マイク
ロ波は遮断し、可視光は透過するような金属網部材で構
成されている。側面部５ａと天井面５ｂとは良好な電気
導通が得られるべく接続されている。
の側面部５ａと、直径１９０ｍｍの円形の天井面５ｂと
からなり、側面部５ａは可視光の反射率の高い、例えば
アルミニウムで構成されている。天井面５ｂは、マイク
ロ波は遮断し、可視光は透過するような金属網部材で構
成されている。側面部５ａと天井面５ｂとは良好な電気
導通が得られるべく接続されている。
【００１６】空洞共振器５内において比較的高電界強度
分布になるほぼ中央部には、気密な石英からなるバルブ
６が配置されている。バルブの直径は２７ｍｍで、その
内部には希ガスたるアルゴンＡｒ：３０Ｔｏｒｒ、水銀
Ｈｇ：４０ｍｇ、希土類ハライドたるセリウム沃化物Ｃ
ｅＩ3：５ｍｇ、ナトリウム沃化物ＮａＩ：１０ｍｇが
封入されている。すなわち発光物質であるセリウムＣｅ
とナトリウムＮａとのモル比は約１：７の比率となって
いる。また、この石英バルブ６は石英からなる支持棒７
により側面部５ａの底面に固定されている。
分布になるほぼ中央部には、気密な石英からなるバルブ
６が配置されている。バルブの直径は２７ｍｍで、その
内部には希ガスたるアルゴンＡｒ：３０Ｔｏｒｒ、水銀
Ｈｇ：４０ｍｇ、希土類ハライドたるセリウム沃化物Ｃ
ｅＩ3：５ｍｇ、ナトリウム沃化物ＮａＩ：１０ｍｇが
封入されている。すなわち発光物質であるセリウムＣｅ
とナトリウムＮａとのモル比は約１：７の比率となって
いる。また、この石英バルブ６は石英からなる支持棒７
により側面部５ａの底面に固定されている。
【００１７】このような構成でマグネトロン用電源を動
作させると、マグネトロン１のアンテナ部２より導波管
３に２．４５ＧＨｚのマイクロ波エネルギーが導入さ
れ、マイクロ波エネルギーは導波管３内を低ロスで伝播
し、結合孔４に到達したマイクロ波エネルギーは、予め
２．４５ＧＨｚで共振するように設計された空洞共振器
５に結合孔4を介して導入される。
作させると、マグネトロン１のアンテナ部２より導波管
３に２．４５ＧＨｚのマイクロ波エネルギーが導入さ
れ、マイクロ波エネルギーは導波管３内を低ロスで伝播
し、結合孔４に到達したマイクロ波エネルギーは、予め
２．４５ＧＨｚで共振するように設計された空洞共振器
５に結合孔4を介して導入される。
【００１８】そして、マイクロ波は空洞共振器５内で共
振し、石英バルブ６内部のガスを電離、励起する。放電
開始直後は水銀主体の放電であるが、放電による熱で石
英バルブ６の壁温度が上昇すると、室温で固体であった
メタルハライド（ここではセリウム沃化物ＣｅＩ3、及
びナトリウム沃化物ＮａＩ）が蒸発し、放電内で金属原
子とハロゲン原子とに分離して、金属原子（ここではセ
リウムＣｅ及びナトリウムＮａ）が励起されて発光す
る。この光は天井面５ｂの孔を通って外部に放出され、
側面部５ａの側壁に到達した可視光は反射率の高い内面
により反射されて、最終的には天井面５ｂを通して外部
に放出される。
振し、石英バルブ６内部のガスを電離、励起する。放電
開始直後は水銀主体の放電であるが、放電による熱で石
英バルブ６の壁温度が上昇すると、室温で固体であった
メタルハライド（ここではセリウム沃化物ＣｅＩ3、及
びナトリウム沃化物ＮａＩ）が蒸発し、放電内で金属原
子とハロゲン原子とに分離して、金属原子（ここではセ
リウムＣｅ及びナトリウムＮａ）が励起されて発光す
る。この光は天井面５ｂの孔を通って外部に放出され、
側面部５ａの側壁に到達した可視光は反射率の高い内面
により反射されて、最終的には天井面５ｂを通して外部
に放出される。
【００１９】このような動作において、マイクロ波によ
る石英バルブ６近傍の電界強度分布は、動作前は図３に
示すように、石英バルブ６内部で最大になるような分布
であり、動作中は図４に示すように、石英バルブ６内部
に導電性を持ったプラズマが発生するため電界は打ち消
され、石英バルブ６の内部方向へ向かって急速に減衰し
ている。言いかえれば、石英バルブ６内の表面近傍から
のみ強い可視発光が得られることになる。この分光スペ
クトルを示したのが図５である。可視域全体に分布する
セリウムＣｅの発光と、波長５９０ｎｍ近傍に存在する
ナトリウムＮａの発光が顕著である。
る石英バルブ６近傍の電界強度分布は、動作前は図３に
示すように、石英バルブ６内部で最大になるような分布
であり、動作中は図４に示すように、石英バルブ６内部
に導電性を持ったプラズマが発生するため電界は打ち消
され、石英バルブ６の内部方向へ向かって急速に減衰し
ている。言いかえれば、石英バルブ６内の表面近傍から
のみ強い可視発光が得られることになる。この分光スペ
クトルを示したのが図５である。可視域全体に分布する
セリウムＣｅの発光と、波長５９０ｎｍ近傍に存在する
ナトリウムＮａの発光が顕著である。
【００２０】図６は本発明と同じ封入物を従来の電極を
有する発光管に封入し、同じランプ入力で発光させたと
きの分光スペクトル（発光分布）である。この場合、顕
著な差異としてナトリウムＮａの発光形状がある。従来
のような有電極の通電方式を用いた場合、発光は主に発
光管の中央部で生じるため、ナトリウムＮａの発光はバ
ルブ管壁にいたるまでにナトリウムＮａ原子に再吸収さ
れる、いわゆる自己吸収現象を生じるので、ナトリウム
Ｎａの発光は効率良くランプ外部に出ることができな
い。このことが図６の発光分布において、ナトリウムＮ
ａ発光での大きな谷となって現れている。本実施形態で
は、上記従来の発光管のようにナトリウムＮａの発光が
再吸収されることなくバルブ外部に放射されるために高
効率になっている。
有する発光管に封入し、同じランプ入力で発光させたと
きの分光スペクトル（発光分布）である。この場合、顕
著な差異としてナトリウムＮａの発光形状がある。従来
のような有電極の通電方式を用いた場合、発光は主に発
光管の中央部で生じるため、ナトリウムＮａの発光はバ
ルブ管壁にいたるまでにナトリウムＮａ原子に再吸収さ
れる、いわゆる自己吸収現象を生じるので、ナトリウム
Ｎａの発光は効率良くランプ外部に出ることができな
い。このことが図６の発光分布において、ナトリウムＮ
ａ発光での大きな谷となって現れている。本実施形態で
は、上記従来の発光管のようにナトリウムＮａの発光が
再吸収されることなくバルブ外部に放射されるために高
効率になっている。
【００２１】また、図７には、従来のマイクロ波放電で
用いられた封入物のひとつであるインジウム臭化物Ｉｎ
Ｂｒの発光効率（曲線ｃ）と、本実施形態での封入物で
あるセリウム沃化物ＣｅＩ3及びナトリウム沃化物Ｎａ
Ｉでの発光効率（曲線ａ）との比較データが示されてい
る。実験は同一測定系、マイクロ波給電装置で行われ、
この実験結果が示すように、本実施形態の発光効率（曲
線ａ）は、従来の発光効率（曲線ｃ）に比べてはるかに
大きく、発光効率を大幅に改善するという大きな効果が
見られる。この効果は、上記のマイクロ波給電とナトリ
ウムＮａの自己吸収の因果関係によるものと、セリウム
Ｃｅの高効率発光との相乗効果によるものである。さら
に、曲線ｂは、希土類ハライドとしてプラセオジウム沃
化物ＰｒＩ3を用い（後述する実施形態２で用いた）、
プラセオジウム沃化物ＰｒＩ3及びナトリウム沃化物Ｎ
ａＩを本実施形態の石英バルブ６に適用した場合の発光
効率を示しており、この場合も従来の発光効率（曲線
ｃ）に比べてはるかに大きく、発光効率を大幅に改善す
るという大きな効果を得ることができる。
用いられた封入物のひとつであるインジウム臭化物Ｉｎ
Ｂｒの発光効率（曲線ｃ）と、本実施形態での封入物で
あるセリウム沃化物ＣｅＩ3及びナトリウム沃化物Ｎａ
Ｉでの発光効率（曲線ａ）との比較データが示されてい
る。実験は同一測定系、マイクロ波給電装置で行われ、
この実験結果が示すように、本実施形態の発光効率（曲
線ａ）は、従来の発光効率（曲線ｃ）に比べてはるかに
大きく、発光効率を大幅に改善するという大きな効果が
見られる。この効果は、上記のマイクロ波給電とナトリ
ウムＮａの自己吸収の因果関係によるものと、セリウム
Ｃｅの高効率発光との相乗効果によるものである。さら
に、曲線ｂは、希土類ハライドとしてプラセオジウム沃
化物ＰｒＩ3を用い（後述する実施形態２で用いた）、
プラセオジウム沃化物ＰｒＩ3及びナトリウム沃化物Ｎ
ａＩを本実施形態の石英バルブ６に適用した場合の発光
効率を示しており、この場合も従来の発光効率（曲線
ｃ）に比べてはるかに大きく、発光効率を大幅に改善す
るという大きな効果を得ることができる。
【００２２】次に、図８は、石英バルブ６のバルブ内容
積に対する単位体積あたりの封入水銀量と相対効率との
関係を示した実験結果であり、管壁負荷、すなわちバル
ブ内表面積あたりのランプ電力をパラメーターにしてお
り、これは同一バルブでは入力電力に相当し、ランプ温
度に直接関係し、ランプ効率に関係している。ここで
は、管壁負荷１５Ｗ／ｃｍ2時の相対効率（曲線ｄ）、
管壁負荷２０Ｗ／ｃｍ2時の相対効率（曲線ｅ）、管壁
負荷２５Ｗ／ｃｍ2時の相対効率（曲線ｆ）を示してい
る。
積に対する単位体積あたりの封入水銀量と相対効率との
関係を示した実験結果であり、管壁負荷、すなわちバル
ブ内表面積あたりのランプ電力をパラメーターにしてお
り、これは同一バルブでは入力電力に相当し、ランプ温
度に直接関係し、ランプ効率に関係している。ここで
は、管壁負荷１５Ｗ／ｃｍ2時の相対効率（曲線ｄ）、
管壁負荷２０Ｗ／ｃｍ2時の相対効率（曲線ｅ）、管壁
負荷２５Ｗ／ｃｍ2時の相対効率（曲線ｆ）を示してい
る。
【００２３】図８によると２ｍｇ／ｃｍ3以上の水銀の
封入量において、顕著な高効率効果が見られる。これは
マイクロ波給電方式においてのみ実現される現象であ
り、従来の有電極の放電管においては水銀封入量を増加
させると、弾性衝突ロスや対流ロスが増加して効率は低
下する。さらにはランプ電圧が所望の値よりも高くなり
すぎたり、あるいは対流により放電が不安定になったり
する。
封入量において、顕著な高効率効果が見られる。これは
マイクロ波給電方式においてのみ実現される現象であ
り、従来の有電極の放電管においては水銀封入量を増加
させると、弾性衝突ロスや対流ロスが増加して効率は低
下する。さらにはランプ電圧が所望の値よりも高くなり
すぎたり、あるいは対流により放電が不安定になったり
する。
【００２４】マイクロ波給電においては、水銀封入量を
所定の値より増やすとバルブ内部抵抗率が上昇し（これ
は蒸発した水銀原子の密度が増えるが、水銀は電離電圧
が残りの封入物よりも比較的高く電離しにくいため、主
にバッファガスとして働き、蒸気圧が高くなるほど抵抗
成分が大きくなることに起因している）、マイクロ波エ
ネルギーがバルブ６の内部に向かって進入できる距離が
増える。このことは、図９（ａ）に封入水銀量が少ない
場合の発光強度分布，（ｂ）に封入水銀量が多い場合の
発光強度分布を示すように、前述のバルブ内壁近傍の発
光のみを利用しているマイクロ波放電では、水銀封入量
を増加することにより、その実効発光体積を増やすこと
ができ、効率を上昇させることが可能となる。また、相
対的にプラズマがバルブ内壁から離れ、バルブ劣化の１
要因である封入物質とバルブ材料との化学変化が抑制さ
れる。ただし、水銀量を極端に増加させると弾性衝突ロ
スが生じたり、実質発光厚みが増加することによるナト
リウムＮａの再吸収ロスが生じるので、その量には限界
がある。実験経験的には５０ｍｇ／ｃｍ3以下にするの
が適当であり、本実施形態では、図７に示すように４０
０Ｗレベルにおいて１５０ｌｍ／Ｗ以上の効率の白色光
源を得ることができた。この値は従来の４００Ｗの白色
有電極ランプの最高効率である１００ｌｍ／Ｗに対し
１．５倍の効果を示すものであり、従来のマイクロ波光
源であるインジウム臭化物ＩｎＢｒランプに対しても、
図７に示すように１．９倍の効果を持つものである。
所定の値より増やすとバルブ内部抵抗率が上昇し（これ
は蒸発した水銀原子の密度が増えるが、水銀は電離電圧
が残りの封入物よりも比較的高く電離しにくいため、主
にバッファガスとして働き、蒸気圧が高くなるほど抵抗
成分が大きくなることに起因している）、マイクロ波エ
ネルギーがバルブ６の内部に向かって進入できる距離が
増える。このことは、図９（ａ）に封入水銀量が少ない
場合の発光強度分布，（ｂ）に封入水銀量が多い場合の
発光強度分布を示すように、前述のバルブ内壁近傍の発
光のみを利用しているマイクロ波放電では、水銀封入量
を増加することにより、その実効発光体積を増やすこと
ができ、効率を上昇させることが可能となる。また、相
対的にプラズマがバルブ内壁から離れ、バルブ劣化の１
要因である封入物質とバルブ材料との化学変化が抑制さ
れる。ただし、水銀量を極端に増加させると弾性衝突ロ
スが生じたり、実質発光厚みが増加することによるナト
リウムＮａの再吸収ロスが生じるので、その量には限界
がある。実験経験的には５０ｍｇ／ｃｍ3以下にするの
が適当であり、本実施形態では、図７に示すように４０
０Ｗレベルにおいて１５０ｌｍ／Ｗ以上の効率の白色光
源を得ることができた。この値は従来の４００Ｗの白色
有電極ランプの最高効率である１００ｌｍ／Ｗに対し
１．５倍の効果を示すものであり、従来のマイクロ波光
源であるインジウム臭化物ＩｎＢｒランプに対しても、
図７に示すように１．９倍の効果を持つものである。
【００２５】なお、本実施形態において、空洞共振器５
の形状は図１，２に示す形状に限らず、多角柱形状や、
側面が回転楕円体の一部であったり、または円筒形状で
も構わない。バルブ６の形状は球状で説明しているが、
本封入物を用いれば、そのバルブ形状は自由である。ま
た、マイクロ波の伝送方式については、導波管３を用い
る方式を説明したが、他の方式、たとえば同軸伝送方式
でもよく、マイクロ波を空洞共振器５に結合させる部分
は、結合孔４を用いているが、他の方式、例えばアンテ
ナ結合でも構わない。
の形状は図１，２に示す形状に限らず、多角柱形状や、
側面が回転楕円体の一部であったり、または円筒形状で
も構わない。バルブ６の形状は球状で説明しているが、
本封入物を用いれば、そのバルブ形状は自由である。ま
た、マイクロ波の伝送方式については、導波管３を用い
る方式を説明したが、他の方式、たとえば同軸伝送方式
でもよく、マイクロ波を空洞共振器５に結合させる部分
は、結合孔４を用いているが、他の方式、例えばアンテ
ナ結合でも構わない。
【００２６】さらに、バルブ６のバルブ径に関しては２
７ｍｍで説明したが、他の径でもよく、例えば２３ｍｍ
径では、上記同様の封入物比率で３５０Ｗ入力におい
て、効率１５１ｌｍ／Ｗ、相関色温度３０２８Ｋ、平均
演色評価数６５、ｕv座標上での黒体軌跡からのずれ
０．００６が実験で得られている。
７ｍｍで説明したが、他の径でもよく、例えば２３ｍｍ
径では、上記同様の封入物比率で３５０Ｗ入力におい
て、効率１５１ｌｍ／Ｗ、相関色温度３０２８Ｋ、平均
演色評価数６５、ｕv座標上での黒体軌跡からのずれ
０．００６が実験で得られている。
【００２７】（実施形態２）本実施形態のマイクロ波無
電極ランプ点灯装置の構成は、石英バルブ６は、その外
径が２３ｍｍ（内径２１ｍｍ）で、封入物質が、アルゴ
ンＡｒ：３０Ｔｏｒｒ、水銀Ｈｇ：３０ｍｇ、希土類ハ
ライドたるプラセオジウム沃化物ＰｒＩ3及びナトリウ
ム沃化物ＮａＩ：８ｍｇから成り、封入物中のプラセオ
ジウムＰｒとナトリウムＮａのモル比率が、１：１と、
１：３．５と、１：５．５との３種類を有しており、そ
の他の構成は図１，２に示す実施形態１と同様である。
電極ランプ点灯装置の構成は、石英バルブ６は、その外
径が２３ｍｍ（内径２１ｍｍ）で、封入物質が、アルゴ
ンＡｒ：３０Ｔｏｒｒ、水銀Ｈｇ：３０ｍｇ、希土類ハ
ライドたるプラセオジウム沃化物ＰｒＩ3及びナトリウ
ム沃化物ＮａＩ：８ｍｇから成り、封入物中のプラセオ
ジウムＰｒとナトリウムＮａのモル比率が、１：１と、
１：３．５と、１：５．５との３種類を有しており、そ
の他の構成は図１，２に示す実施形態１と同様である。
【００２８】図１０，１１，１２は本実施形態に基づく
実験データであり、図１０は横軸が入力電力［Ｗ］、縦
軸が発光効率［ｌｍ／Ｗ］を示している。ここでは、封
入物中のプラセオジウムＰｒとナトリウムＮａとのモル
比率が１：１時の発光効率（曲線ｇ）、モル比率が１：
３．５時の発光効率（曲線ｈ）、モル比率が１：５．５
時の発光効率（曲線ｉ）を示す。３種類いずれのバルブ
６においても、入力電力３００Ｗ〜３５０Ｗレベルで
は、従来のものに比べ１．５倍の高効率になり、顕著な
効果が見られる。
実験データであり、図１０は横軸が入力電力［Ｗ］、縦
軸が発光効率［ｌｍ／Ｗ］を示している。ここでは、封
入物中のプラセオジウムＰｒとナトリウムＮａとのモル
比率が１：１時の発光効率（曲線ｇ）、モル比率が１：
３．５時の発光効率（曲線ｈ）、モル比率が１：５．５
時の発光効率（曲線ｉ）を示す。３種類いずれのバルブ
６においても、入力電力３００Ｗ〜３５０Ｗレベルで
は、従来のものに比べ１．５倍の高効率になり、顕著な
効果が見られる。
【００２９】図１１は横軸が入力電力［Ｗ］、縦軸が相
関色温度［Ｋ］を示している。ここでは、封入物中のプ
ラセオジウムＰｒとナトリウムＮａとのモル比率が１：
１時の相関色温度（曲線ｊ）、モル比率が１：３．５時
の相関色温度（曲線ｋ）、モル比率が１：５．５時の相
関色温度（曲線ｌ）を示しており、プラセオジウムＰｒ
とナトリウムＮａとの比率を変えることで、相関色温度
が変化している。これは従来の一般ランプに比べ設計が
容易であることを示している。
関色温度［Ｋ］を示している。ここでは、封入物中のプ
ラセオジウムＰｒとナトリウムＮａとのモル比率が１：
１時の相関色温度（曲線ｊ）、モル比率が１：３．５時
の相関色温度（曲線ｋ）、モル比率が１：５．５時の相
関色温度（曲線ｌ）を示しており、プラセオジウムＰｒ
とナトリウムＮａとの比率を変えることで、相関色温度
が変化している。これは従来の一般ランプに比べ設計が
容易であることを示している。
【００３０】またプラセオジウムＰｒとナトリウムＮａ
との封入モル比が１：３．５、及び１：５，５の石英バ
ルブ６においては、入力電力２００Ｗ〜３５０Ｗの間で
相関色温度の変化が非常に小さく、この変化は人間の目
で色の違いを認識できない程度のものであり、調光時に
色の変化の小さい装置を提供することができる（１：１
の石英バルブ６においても比較的変化は小さい）。
との封入モル比が１：３．５、及び１：５，５の石英バ
ルブ６においては、入力電力２００Ｗ〜３５０Ｗの間で
相関色温度の変化が非常に小さく、この変化は人間の目
で色の違いを認識できない程度のものであり、調光時に
色の変化の小さい装置を提供することができる（１：１
の石英バルブ６においても比較的変化は小さい）。
【００３１】一方、従来の一般に市販されているメタル
ハライドランプでは調光（入力電力減少）を行うと、相
関色温度が大きく変化することが知られており、このた
めメタルハライドランプを例えば省電力目的で調光した
場合には、大きく色が変化して人に違和感を与えてしま
う（多くの市販ランプは極端に緑色になり、且つ相関色
温度が上昇する）。
ハライドランプでは調光（入力電力減少）を行うと、相
関色温度が大きく変化することが知られており、このた
めメタルハライドランプを例えば省電力目的で調光した
場合には、大きく色が変化して人に違和感を与えてしま
う（多くの市販ランプは極端に緑色になり、且つ相関色
温度が上昇する）。
【００３２】図１２は横軸が入力電力［Ｗ］、縦軸がDu
ｖ（uｖ色度座標上での黒体軌跡からのずれを便宜上１
０００倍した値で０であれば自然な白色である）を示し
ている。ここでは、封入物中のプラセオジウムＰｒとナ
トリウムＮａとのモル比率が１：１時のDuｖ（曲線
ｍ）、モル比率が１：３．５時のDuｖ（曲線ｎ）、モル
比率が１：５．５時のDuｖ（曲線ｏ）を示しており、封
入物中のプラセオジウムＰｒとナトリウムＮａとのモル
比率が大きいほど、Duｖは小さくなり、白色に近い発光
である。通常、プラスマイナス１０前後であれば白色と
みなすことができ、この観点から本実施形態のバルブは
白色に近い発光をもった高効率のシステムであると言え
る。
ｖ（uｖ色度座標上での黒体軌跡からのずれを便宜上１
０００倍した値で０であれば自然な白色である）を示し
ている。ここでは、封入物中のプラセオジウムＰｒとナ
トリウムＮａとのモル比率が１：１時のDuｖ（曲線
ｍ）、モル比率が１：３．５時のDuｖ（曲線ｎ）、モル
比率が１：５．５時のDuｖ（曲線ｏ）を示しており、封
入物中のプラセオジウムＰｒとナトリウムＮａとのモル
比率が大きいほど、Duｖは小さくなり、白色に近い発光
である。通常、プラスマイナス１０前後であれば白色と
みなすことができ、この観点から本実施形態のバルブは
白色に近い発光をもった高効率のシステムであると言え
る。
【００３３】図１３は本実施形態のうち、モル比１：
３．５の石英バルブ６の分光スペクトルを示している。
ここでも実施形態１で説明した通り、ナトリウムＮａ線
の再吸収がないマイクロ波給電の効果が現れていて、且
つプラセオジウムＰｒの高効率な発光分布が加わり、高
効率なシステムが実現されている。
３．５の石英バルブ６の分光スペクトルを示している。
ここでも実施形態１で説明した通り、ナトリウムＮａ線
の再吸収がないマイクロ波給電の効果が現れていて、且
つプラセオジウムＰｒの高効率な発光分布が加わり、高
効率なシステムが実現されている。
【００３４】なお、実施形態１，２において、希土類ハ
ライドとしてセリウム沃化物ＣｅＩ 3とプラセオジウム
沃化物ＰｒＩ3との混合体を用いても、略同様の効果を
得ることができる。
ライドとしてセリウム沃化物ＣｅＩ 3とプラセオジウム
沃化物ＰｒＩ3との混合体を用いても、略同様の効果を
得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】請求項１の発明は、マイクロ波エネルギ
ーを発生する手段と、マイクロ波が導入され，マイクロ
波に対しては非透過性で、光に対しては透過可能な部材
が一部または全部に用いられて成るマイクロ波共振器
と、マイクロ波エネルギーを前記マイクロ波共振器に結
合するための手段と、前記マイクロ波共振器内に配置さ
れた透光性材料から成り、前記透光性材料内に、希土類
ハライド、ナトリウムハライド、一定量以上の水銀、及
び希ガスから構成された封入物質を封入した気密なバル
ブとを備え、前記希土類ハライドが、セリウム沃化物、
あるいはプラセオジム沃化物、あるいはセリウム沃化物
とプラセオジム沃化物との混合体を含むので、白色に近
い発光を高い発光効率で得ることができるという効果が
ある。
ーを発生する手段と、マイクロ波が導入され，マイクロ
波に対しては非透過性で、光に対しては透過可能な部材
が一部または全部に用いられて成るマイクロ波共振器
と、マイクロ波エネルギーを前記マイクロ波共振器に結
合するための手段と、前記マイクロ波共振器内に配置さ
れた透光性材料から成り、前記透光性材料内に、希土類
ハライド、ナトリウムハライド、一定量以上の水銀、及
び希ガスから構成された封入物質を封入した気密なバル
ブとを備え、前記希土類ハライドが、セリウム沃化物、
あるいはプラセオジム沃化物、あるいはセリウム沃化物
とプラセオジム沃化物との混合体を含むので、白色に近
い発光を高い発光効率で得ることができるという効果が
ある。
【００３６】請求項２の発明は、請求項１において、前
記希土類ハライドとナトリウムハライドとの封入モル比
率は、１：１〜１：１０の間であるので、封入モル比率
を変えて相関色温度を変化させることで、従来のバルブ
に比べて設計が容易となり、且つ調光時には色の変化を
小さくできるという効果がある。
記希土類ハライドとナトリウムハライドとの封入モル比
率は、１：１〜１：１０の間であるので、封入モル比率
を変えて相関色温度を変化させることで、従来のバルブ
に比べて設計が容易となり、且つ調光時には色の変化を
小さくできるという効果がある。
【００３７】請求項３の発明は、請求項１または２にお
いて、前記水銀の量は、前記気密バルブの内容積に対
し、２ｍｇ／ｃｍ3以上であるので、実効発光体積を増
やすことができ、高い発光効率を得ることができるとい
う効果がある。
いて、前記水銀の量は、前記気密バルブの内容積に対
し、２ｍｇ／ｃｍ3以上であるので、実効発光体積を増
やすことができ、高い発光効率を得ることができるとい
う効果がある。
【図１】本発明の実施形態１の構成を示す側面断面図で
ある。
ある。
【図２】同上の構成を示す斜視図である。
【図３】同上の放電開始前の電界強度分布を示す図であ
る。
る。
【図４】同上の放電開始後の電界強度分布を示す図であ
る。
る。
【図５】同上の分光スペクトルを示す図である。
【図６】同上に対する従来の分光スペクトルを示す図で
ある。
ある。
【図７】同上の入力電力−発光効率の関係を示す図であ
る。
る。
【図８】同上の水銀密度−相対効率の関係を示す図であ
る。
る。
【図９】（ａ）同上の封入水銀量が少ない場合の発光強
度分布を示す図である。 （ｂ）同上の封入水銀量が多い場合の発光強度分布を示
す図である。
度分布を示す図である。 （ｂ）同上の封入水銀量が多い場合の発光強度分布を示
す図である。
【図１０】本発明の実施形態２の入力電力−発光効率の
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図１１】同上の入力電力−相関色温度の関係を示す図
である。
である。
【図１２】同上の入力電力−Ｄｕｖの関係を示す図であ
る。
る。
【図１３】同上の分光スペクトルを示す図である。
【図１４】従来例の構成を示す側面図である。
１ マグネトロン
２ アンテナ部
３ 導波管
４ 結合孔
５ 空洞共振器
５ａ 側面部
５ｂ 天井面
６ バルブ
７ 支持棒
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 齋見 元洋
大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株
式会社内
Ｆターム(参考） 3K072 AA18 CA16 GA08 GB09
5C039 PP01 PP08
Claims (3)
- 【請求項１】 マイクロ波エネルギーを発生する手段
と、マイクロ波が導入され，マイクロ波に対しては非透
過性で、光に対しては透過可能な部材が一部または全部
に用いられて成るマイクロ波共振器と、マイクロ波エネ
ルギーを前記マイクロ波共振器に結合するための手段
と、前記マイクロ波共振器内に配置された透光性材料か
ら成り、前記透光性材料内に、希土類ハライド、ナトリ
ウムハライド、一定量以上の水銀、及び希ガスから構成
された封入物質を封入した気密なバルブとを備え、前記
希土類ハライドが、セリウム沃化物、あるいはプラセオ
ジム沃化物、あるいはセリウム沃化物とプラセオジム沃
化物との混合体を含むことを特徴とするマイクロ波無電
極放電ランプ点灯装置。 - 【請求項２】 前記希土類ハライドとナトリウムハライ
ドとの封入モル比率は、１：１〜１：１０の間であるこ
とを特徴とする請求項１記載のマイクロ波無電極放電ラ
ンプ点灯装置。 - 【請求項３】 前記水銀の量は、前記気密バルブの内容
積に対し、２ｍｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする
請求項１または２記載のマイクロ波無電極放電ランプ点
灯装置。
Priority Applications (7)
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|---|---|---|---|
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| KR1020037013478A KR100563110B1 (ko) | 2002-02-25 | 2003-02-21 | 마이크로웨이브로 여기되는 무전극 방전 전구 및마이크로웨이브로 여기되는 방전 램프 시스템 |
| EP03705390A EP1479096A1 (en) | 2002-02-25 | 2003-02-21 | Microwave-excited electrodeless discharge bulb and microwave-excited discharge lamp system |
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| US10/474,178 US20040108815A1 (en) | 2002-02-25 | 2003-02-21 | Microwave-excited elecrodeles discharge bulb and microwave-excited discharge lamp system |
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