JP5213027B2

JP5213027B2 - 蛍光ランプ

Info

Publication number: JP5213027B2
Application number: JP2008059359A
Authority: JP
Inventors: 卓哉中島
Original assignee: NEC Lighting Ltd
Current assignee: Hotalux Ltd
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: JP2009218049A

Description

本発明は、蛍光ランプに関し、より詳しくは、蛍光ランプの放電を良好に発生させることができ、外部への紫外線の放出を顕著に抑制できる蛍光ランプに関する。

蛍光ランプは、内部に希ガスと水銀とを気密に保持したガラスバルブ等の透明管の両端部付近に設けられる電極に電圧を印加して、希ガスを電離させ、電離した希ガスを電極に衝突させて二次電子を放出させグロー放電を生起させ、これにより励起された水銀が、１８５ｎｍや、２５３．７ｎｍの波長の紫外線を放射する。この紫外線によりガラスバルブの内壁面に設けられた蛍光体が励起され可視光を発光する。このような蛍光ランプにおいては、水銀から放出される紫外線が蛍光体の励起に使用されずガラスバルブを透過して蛍光ランプ外部へ漏洩するのを抑制するため、ガラスバルブの内壁面と蛍光体層との間に、紫外線の吸収率が高い材質からなる保護層が設けられている。このような保護層として、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化セリウム等が紫外線の吸収に優れることから、これらの微粒子を主体とするものが用いられている。

これらのうち特に酸化亜鉛は、バンドギャップが３．３７ｅＶであり３６７ｎｍより短波長側の紫外線の吸収率が高く優れた紫外線遮断効果を有し、また、人体への毒性が少なく低環境負荷であり、酸化チタンと比較して屈折率が低いため、保護層に用いた場合、蛍光体から発光される蛍光の透過率が高い。このため、酸化亜鉛を用いた保護層は広く使用されている。

更に、保護膜として、ガラスバルブに含まれるナトリウムが使用に伴い表面に移動し、ガラスバルブ表面でナトリウムが水銀と反応し反応生成物を形成することにより水銀を消費するのを抑制するために、ガラスバルブとの接触面積の減少を図った粒子径の大きい金属酸化物からなる層と、紫外線を蛍光体膜へ反射し、光束維持率の向上を図った粒子径の小さい金属酸化物からなる層との二層構造を有するもの（特許文献１）や、酸化亜鉛と水銀との反応により水銀の消費を抑制するため、酸化亜鉛を主体とする層の上に酸化セリウムを主体とする層とを有する保護層を有する蛍光ランプ（特許文献２）等が知られている。

しかしながら、ガラスバルブの内壁面に酸化亜鉛からなる保護層を設けた場合、その導電性により、電流が保護層を流れ放電の発生が減少する、放電開始電圧が上昇する、消費電力が増加する等の問題が生じる。
特開平１１−３０７０５５号公報特開２００３−１２３６９１号公報

本発明の課題は、放電を良好に発生させることができ、放電開始電圧や消費電力を低く維持して、外部への紫外線の漏洩を顕著に抑制することができ、しかも、蛍光体から発生する蛍光の透過率が高く、高輝度な蛍光を発生することができる蛍光ランプを提供することにある。

本発明者らは、蛍光ランプの保護層の材質について研究を行った。その結果、透明管の内壁面上に、電極近傍を除外して酸化亜鉛層を形成し、更に、電極近傍の透明管内壁面上及び酸化亜鉛層上に、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化イットリウムのいずれか１種又は２種以上を含有する層を設けることにより、電極間に放電を良好に発生させることができ、放電開始電圧や消費電力を低く維持して、外部への紫外線の漏洩を顕著に抑制することができることの知見を得た。また、酸化亜鉛は屈折率が低く、蛍光体から発生する蛍光の透過率が高く、高輝度な蛍光を発生することができ、しかも、純度が高くなるに連れ、導電性が低下することが分かった。かかる知見に基づき、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、内部空間に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられ、リード線を介して外部電源に接続される電極と、前記透明管の内壁面上に、前記透明管の外部への紫外線の放出を抑制する保護層を介して設けられる蛍光体層とを有する蛍光ランプにおいて、前記保護層が、酸化亜鉛を主成分として含有し、前記電極近傍を除いた前記透明管の前記内壁面上に設けられる酸化亜鉛層と、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化イットリウムのいずれか１種又は２種以上を含有し、前記酸化亜鉛層上及び前記電極近傍の前記透明管内壁面上に設けられる放電促進層とを有することを特徴とする蛍光ランプに関する。

本発明の蛍光ランプは、放電を良好に発生させることができ、放電開始電圧や消費電力を低く維持して、外部への紫外線の漏洩を顕著に抑制することができ、しかも、蛍光体から発生する蛍光の透過率が高く、高輝度な蛍光を発生することができる。

本発明の蛍光ランプは、内部空間に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられ、リード線を介して外部電源に接続される電極と、前記透明管の内壁面上に、前記透明管の外部への紫外線の放出を抑制する保護層を介して設けられる蛍光体層とを有する蛍光ランプにおいて、前記保護層が、前記電極近傍を除いた前記透明管の前記内壁面上に設けられ、酸化亜鉛を主成分として含有する酸化亜鉛層と、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化イットリウムのいずれか１種又は２種以上を含有し、前記酸化亜鉛層上及び前記電極近傍の前記透明管内壁面上に設けられる放電促進層とを有することを特徴とする。

本発明の蛍光ランプに用いられる透明管は、内部空間に希ガス、水銀を保持し、放電が行われる空間を形成し、発生した蛍光を透過する透明度を有するものであれば、いずれであってもよい。透明管の材質としては、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス、その他、アルミノケイ酸ガラス、ホウ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス等を挙げることができる。

上記透明管の形状としては直管型、湾曲型、環形、バルブ型等いずれであってもよく、また、その口径もいずれであってもよい。ガラスバルブの肉厚としては、具体的には、例えば、１．０±０．１ｍｍを挙げることができる。

上記透明管の内部空間には、希ガスと共に紫外線を発生する水銀が封入されている。希ガスとしては、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、ヘリウム等を１種又は２種を組み合わせて用いることができる。封入する希ガスの量としては、蛍光ランプの点灯時において、蒸気圧が例えば、１〜１０Ｐａとなるような量を挙げることができる。また、透明管に封入される水銀は、水銀そのものとして、また、アマルガムとして使用することができる。封入する水銀の量としては、蛍光ランプの点灯時において、蒸気圧が例えば、１〜１０Ｐａ等となるような量を挙げることができる。透明管内で発生した放電電子が水銀原子に衝突し、水銀原子が２５３．７ｎｍを含む紫外線を発生する。

上記透明管の両端には、透明管内に封入される水銀原子から紫外線を放射させるための放電を発生させる手段として１対の電極が設けられる。かかる電極としては、例えば、バリウム、カルシウム、イットリウム等の酸化物等のエミッタ物質を塗布したタングステンコイル等からなる熱電極を用いることができる。熱電極間に電圧が印加されると、エミッタから放出される電子により希ガスを電離させ、この希ガスのイオンが電極に衝突してグロー放電を生起させ、水銀を励起して紫外線を放出させる。また、冷陰極ランプの電極としては、例えば、ニッケル、モリブデン等により成形されたカップ状の電極を開口を対向させて配置させたものを挙げることができる。この電極間に電圧が印加されると、透光管内に僅かに存在する電子により希ガスを電離させ、これが電極に衝突することにより放電を生起させ、水銀から紫外線を放射させる。

上記電極にはリード線が接続され、透明管の両端を気密に密閉する密閉部材を貫通して突出して設けられるリード線を介して、電極に外部電源が供給されるようになっている。

上記透明管の内壁面には保護層及び蛍光体層が順次設けられる。

上記透明管の内壁面に設けられる保護層は、透明管の外部へ紫外線が放出されるのを抑制するために設けられる。保護層は、透明管の内壁面上に設けられる酸化亜鉛層と、酸化亜鉛層上に設けられる放電促進層を有する。

酸化亜鉛層は、透明管の内壁面上に設けられ、電極近傍の透明管内壁面上には設けられない。電極近傍の透明管内壁面とは、少なくともコイル形状やカップ形状の電極に対向する透明管の内壁面が該当する。具体的には、両電極の先端が対向する位置までの両端部の内壁面等とすることができる。

酸化亜鉛層は、酸化亜鉛を主成分として含有するものであれば、非導電性の金属酸化物等を含有していてもよいが、酸化亜鉛の含有量が１０質量％以上であることが好ましい。また、酸化亜鉛は純度が高くなるに従い、導電性が低下し、放電を発生させ得るため、純度の高い酸化亜鉛を用いることが好ましい。酸化亜鉛は酸化チタン等より可視光に対して低屈折率であり、蛍光体から発光される蛍光の透過率が高く、酸化亜鉛を含む保護層を有する蛍光ランプにおいて高輝度の発光が得られる。酸化亜鉛層は平均粒子径が１０ｎｍ以上１μｍ以下の酸化亜鉛微粒子を用いて形成されることが好ましい。酸化亜鉛層中に含有される酸化亜鉛の平均粒子径が１０ｎｍ以上であれば、酸化亜鉛層を塗工により形成する場合、塗布液が高粘度になるのを抑制し、その形成を容易にすることができ、また、得られる酸化亜鉛層に剥離が生じるのを抑制することができる。また、酸化亜鉛の平均粒子径が１μｍ以下であれば、酸化亜鉛層を塗工により形成する場合、塗布液が分散安定性に優れ取扱いが容易となる。また、得られる酸化亜鉛層が高密度となり、水銀と透明管に含まれる成分との反応を抑制する効果が高く、また、紫外線遮断効果が高くなる。

このような酸化亜鉛層の厚さとしては、０．５μｍ以上、５μｍ以下であることが好ましい。酸化亜鉛層の厚さが０．５μｍ以上であれば、水銀と透明管に含まれる成分との反応を抑制する効果が高く、紫外線遮断効果が高くなり、５μｍ以下であれば、酸化亜鉛層に剥離や、ひびが生じるのを抑制することができ、蛍光ランプからの光量の低下を抑制することができる。

上記酸化亜鉛層の上層に設けられる放電促進層は、酸化亜鉛層と共に、紫外線が外部へ放出されるのを抑制すると共に、放電を促進させることができる非導電性を有する。このため、酸化亜鉛からなる保護層を有していても、電流が保護層を流れ放電の発生が妨げられるのを抑制することができ、放電開始電圧を低く維持し、消費電力の増加を抑制することができる。放電促進層は酸化亜鉛層上と、酸化亜鉛層が形成されない電極近傍の透明管の内壁面上とに形成され、透明管内壁面の略全面に亘って形成されることが好ましい。放電促進層は、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化イットリウムのいずれか１種又は２種以上を含有する。これらの化合物は導電性を有しないため、電極近傍に設けられる放電促進層と電極間での放電が良好に行われ、放電電子が形成されることにより、水銀からの紫外線を発生させ、充分な蛍光を発光させることができる。特に、二酸化珪素や酸化アルミニウム、酸化マグネシウムは蛍光の透過率が高いため、好ましい。

放電促進層を形成する上記酸化化合物の平均粒子径としては、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。放電促進層中に含有される酸化化合物の平均粒子径が１０ｎｍ以上であれば、放電促進層を塗工により形成する場合、塗布液が高粘度になるのを抑制し、その形成を容易にすることができ、また、得られる放電促進層に剥離が生じるのを抑制することができる。また、酸化化合物の平均粒子径が１μｍ以下であれば、放電促進層を塗工により形成する場合、塗布液が分散安定性に優れ取扱いが容易となる。また、得られる放電促進層が高密度となり、水銀と透明管に含まれる成分との反応を抑制する効果が高く、また、紫外線遮断効果が高くなる。

ここで上記酸化亜鉛や、放電促進層に含有される酸化金属の平均粒子径としては、レーザー回折粒度分布測定装置により測定した測定値を採用することができる。

このような放電促進層の厚さとしては、０．５μｍ以上、５μｍ以下であることが好ましい。放電促進層の厚さが０．５μｍ以上であれば、水銀と透明管に含まれる成分との反応を抑制する効果が高く、紫外線遮断効果が高くなり、５μｍ以下であれば、放電促進層に剥離や、ひびが生じるのを抑制することができ、蛍光ランプからの光量の低下を抑制することができる。

上記保護層上に設けられる蛍光体層は、水銀原子から放射される２５３．７ｎｍの紫外線により可視光を発光する蛍光体を含有する。蛍光体としては、特に限定されるものではなく、いずれのものであってもよいが、熱に対して劣化が少なく、また、水銀の吸着が少なく、蛍光ランプの始動時において水銀蒸気圧が高い状況が継続する場合があるが、そのような場合においても、水銀の吸着が少ないものが好ましい。このような蛍光体の一例として、例えば、Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ、ＹＶＯ₄：Ｅｕ、ＬａＰＯ₄：Ｃｅ，Ｔｂ、（Ｂａ，Ｅｕ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｅｕ）（Ｍｇ，Ｍｎ）Ａｌ₁₀Ｏ₁₇、Ｓｒ₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃ_l2：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃ_l2：Ｅｕ等を挙げることができる。また、蛍光体層は、このような蛍光体を適宜組み合わせ、水銀から放射される２５３．７ｎｍの紫外線により励起され、緑色、赤色、青色領域の可視光を発光させ、演色に優れた白色光を得ることも可能である。例えば、赤色蛍光体として、Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ、緑色蛍光体として、ＬａＰＯ₄：Ｃｅ，Ｔｂ、青色蛍光体として、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕの組み合わせを一例として挙げることができる。

上記蛍光体層の厚さは、例えば、１０〜３０μｍを挙げることができる。

この種の蛍光ランプを駆動させる点灯回路としては、蛍光ランプと別途に設けた点灯回路により電極を予熱し高圧パルスを発生するスターター式点灯回路を用いることができるが、蛍光ランプと一体化して設けた、電極予熱回路と昇圧回路とを有する安定器を備えたラピッドスタート式点灯回路、更に高周波変換回路を備えたインバータ式点灯回路を用いることもできる。点灯回路を一体化して設ける場合、ガラスバルブを湾曲若しくは屈曲し、その周囲を更にグローブで覆い、点灯回路に接続された口金を有する電球型としても、また、ガラスバルブが外部に露出した構造としてもよい。

上記蛍光ランプを製造する方法を以下に述べる。

まず、透明管内壁面に酸化亜鉛層を形成する。酸化亜鉛層を形成するには、微粒子化した酸化亜鉛を含有する分散液を調製し、得られた分散液を電極の周囲となる部分を除き、透明管内壁面に塗布、乾燥する方法を用いることができる。分散媒としては、具体的には、水や、アルコール類、酢酸ブチル、キシレン等の有機溶剤や、これらを混合したものを挙げることができる。塗布方法としては、コーティング、浸漬、スプレー塗布等いずれであってもよい。所定の厚さに塗布した後、自然乾燥や、強制乾燥等の乾燥方法により乾燥することができる。強制乾燥の場合、エアーブロー等の速度や温度が高い場合、表面のみの乾燥が先行し、内部の乾燥速度が遅く内外に応力が発生し、亀裂発生の要因となる。このため、例えば、温度、エアーブロ−速度を調整して行うことが好ましい。

酸化亜鉛を上記粒子径となるように、微粒子化する方法としては、例えば、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル等を用いることができる。

酸化亜鉛層上に放電促進層を形成する。放電促進層を形成するには、酸化亜鉛層と同様に、微粒子化した上記酸化化合物を含有する分散液を調製し、これを酸化亜鉛層上及び酸化亜鉛層が形成されない電極近傍の透明管内壁面に、塗布、乾燥して形成することができる。

保護層の上に蛍光体層を形成する。蛍光体層を形成するには、上記蛍光体を含有する分散液を調製し、これを保護層の形成と同様に、放電促進層上に塗布、乾燥して形成することができる。透光管の両端部に電極を配置し、それぞれの電極に接続されるリード線を貫通させた封止部材でガラスバルブの両端部を密封する。その後、希ガスと水銀を透明管内へ導入して製造することができる。

上記蛍光ランプの製造方法は、本発明の蛍光ランプの製造方法の一例であり、本発明の蛍光ランプの酸化亜鉛層を透明管の内壁面全面に亘って塗布した後、電極に対向する部分の酸化亜鉛塗膜を除去して形成することもできる。

本発明の蛍光ランプの一例として、図１（ａ）、（ｂ）に示す熱電極蛍光ランプを挙げることができる。図１（ａ）に示す蛍光ランプは、透明管１の両端部付近にコイル形状の電極３を有し、電極３は封止部材（口金）４を貫通して設けられるリード線４ａにより外部電源に接続されるようになっている。透明管内壁面上には酸化亜鉛層２ａが設けられる。酸化亜鉛層２ａはコイル形状の電極３の先端が対向する位置までの両端部を除いた透明管内壁面に形成される。この酸化亜鉛層２ａ上及び酸化亜鉛層が形成されていない透明管内壁面上に放電促進層２ｂが設けられる。放電促進層２ｂ上には蛍光体層５が設けられ、両端が封止部材により気密に密閉される透明管内部には希ガス及び水銀が封入されている。

また、上記熱電極蛍光ランプにおいて、酸化亜鉛層は、更に、図１（ｂ）に示すように、電極３が対向しない透明管１の末端内壁面部分２１ａに設けてもよい。

また、本発明の蛍光ランプの他の例として、図２（ａ）、（ｂ）に示す冷陰極蛍光ランプを挙げることができる。図２（ａ）に示す冷陰極蛍光ランプは、透明管１１の両端部付近にカップ形状の電極１３を有し、電極１３はガラスビード等の封止部材（図示せず）を貫通して設けられるコバール等のリード線１４ａにより外部電源に接続されるようになっている。透明管内壁面上には酸化亜鉛層１２ａが設けられる。酸化亜鉛層１２ａはカップ形状の電極１３の先端が対向する位置までの両端部を除いた透明管内壁面上に形成される。この酸化亜鉛層１２ａ上及び酸化亜鉛層が形成されていない透明管内壁面上に放電促進層１２ｂが設けられる。放電促進層１２ｂ上には蛍光体層１５が設けられ、両端が封止部材により気密に密閉される透明管内部には希ガス及び水銀が封入されている。

また、上記冷陰極蛍光ランプにおいて、酸化亜鉛層は、更に、図２（ｂ）に示すように、電極１３が対向しない透明管１１の末端内壁面部分２２ａに設けてもよい。

本発明の蛍光ランプは、熱電極蛍光ランプ、冷陰極蛍光ランプ何れにも適用することができ、外部に漏洩する紫外線を顕著に抑制することができ、しかも、電極と保護層間にも放電を発生させることができ、発生した蛍光の取り出し効率が高く、輝度が高い蛍光を得ることができる。

以下に実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されない。
［実施例１］
平均粒子径５０ｎｍの酸化亜鉛１０ｇを水若しくは有機溶媒に分散させ酸化亜鉛層形成用分散液を調製した。得られた分散液を、口径２８．５ｍｍのガラスバルブの電極に該当する部分を除いた内壁面に浸漬塗布し、約５０〜６０℃、５分乾燥し、約１μｍ厚さの酸化亜鉛層を作成した。

平均粒子径５０ｎｍの二酸化珪素１５ｇを水若しくは有機溶媒に分散させ放電促進層形成用分散液を調製した。得られた分散体液を、酸化亜鉛層上及び酸化亜鉛層が形成されていないガラスバルブの内側全体に浸漬塗布し、約５０〜６０℃、５分乾燥し、約２μｍ厚さの放電促進層を作成した。

蛍光体としてY₂O₃:Eu、LaPO₄:Ce,Tb、(Ba,Eu)MgAl₁₀O₁₇:Euを３００ｇ有機溶媒に分散させ蛍光体層形成用分散液を調製した。得られた分散体液を、形成した放電促進層上に浸漬塗布し、約３０℃で、３０分乾燥し、約１３μｍ厚さの蛍光体層を作成した。

得られたガラスバルブを用い、タングステンコイル等の電極をガラスバルブの両端に配置し、リード線を貫通させた口金により、電極とリード線の接続を取りガラスバルブの両端を密封した。ガラスバルブ内へ、水銀を５ｍｇ以下封入し、アルゴン等を導入し、図１に示す熱電極蛍光ランプを作成した。

得られた蛍光ランプに、交流電圧を印加して点灯させ、可視光量及び紫外線量を測定した。
［比較例１］
保護層として、酸化亜鉛層を電極の周囲にまで延長して設けた他は、実施例１と同様にして、熱電極蛍光ランプを作成し、点灯して可視光量及び紫外線量を測定した。

結果から、実施例１においては、比較例１と比較して、消費電力が１．５Ｗ減少することが分かった。
［実施例２］
電極として、ニッケルのカップ状電極を用いた他は、実施例１と同様にして、冷陰極蛍光ランプを作成した。得られた冷陰極蛍光ランプについて、実施例１と同様に、点灯して可視光量及び紫外線量を測定した。
［比較例２］
保護層として、酸化亜鉛層を電極の周囲にまで延長して設けた他は、実施例２と同様にして、冷陰極蛍光ランプを作成し、点灯して可視光量及び紫外線量を測定した。

結果から、実施例２においては、比較例１と比較して、消費電力が０．５Ｗ減少することが分かった。

本発明の蛍光ランプの一例の熱電極蛍光ランプの概略図を示す図である。本発明の蛍光ランプの一例の冷陰極蛍光ランプの概略図を示す図である。

符号の説明

１、１１透明管
２ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ酸化亜鉛層
２ｂ、１２ｂ放電促進層
３、１３電極
４封止部材
４ａ、１４ａ封止部材
５、１５蛍光体層

Claims

内部空間に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられ、リード線を介して外部電源に接続される電極と、前記透明管の内壁面上に、前記透明管の外部への紫外線の放出を抑制する保護層を介して設けられる蛍光体層とを有する蛍光ランプにおいて、前記保護層が、酸化亜鉛を主成分として含有し、前記電極近傍を除いた前記透明管の前記内壁面上に設けられる酸化亜鉛層と、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化イットリウムのいずれか１種又は２種以上を含有し、前記酸化亜鉛層上及び前記電極近傍の前記透明管内壁面上に設けられる放電促進層とを有することを特徴とする蛍光ランプ。
前記酸化亜鉛層が平均粒子径１０ｎｍ以上、１μｍ以下の酸化亜鉛微粒子を用いて形成され、前記放電促進層が平均粒子径１０ｎｍ以上、１μｍ以下の二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化イットリウムのいずれか１種又は２種以上の微粒子を用いて形成されたことを特徴とする請求項１記載の蛍光ランプ。