JP5663836B2 - 蛍光ランプ - Google Patents

Description

この発明は紫外光を放射する蛍光ランプに関する。

近年、光触媒、広義の樹脂硬化、除菌、美容、医療などの用途に、波長３００ｎｍ付近の紫外光が利用されている。この用途の光源には、波長２５０〜３８０ｎｍの間にピークを有する蛍光体を有する紫外線放射型の蛍光ランプが使われている。この蛍光ランプは、放電によって短波長（例えば２００ｎｍ以下）の光を生成し、この短波長の光から所定波長領域の紫外光を発生させるものである。

蛍光ランプの発光管には、一般に、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ珪酸ガラス等のいわゆる硬質ガラスが使われてきた。しかしながら、硬質ガラスは、波長２５０〜３８０ｎｍの紫外光を吸収するので、ランプからの放射光率が低下してしまう。

そこで、発光管として硬質ガラスではなく石英ガラスを用いた蛍光ランプが、例えば、特許文献１，２などに提案されている。このように、発光管に石英ガラスを用いると、紫外光の透過率が高く、効率よく光を取り出すことができる。

ところで、蛍光ランプの製造工程では、発光管を構成する材料を軟化点付近まで昇温させて、その状態において蛍光体を付着させている。ところが、石英ガラスの軟化点温度は１６００℃近傍と高温であるため、このような高温まで石英ガラスを加熱させると、蛍光体自体が劣化してしまう。
その一方で、蛍光体が劣化しない温度、例えば９００℃以下の加熱を行うことも考えられるが、その場合は、石英ガラスと蛍光体の付着が弱くなり、ランプ点灯中に蛍光体が剥がれてしまうなどの問題を発生させる。

特表２００８−５０３０４６号公報 特表２００７−５３４１２８号公報

この発明が解決しようとする課題は、発光管に石英ガラスを使う蛍光ランプであって、紫外線の放射特性が高いものを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は、石英ガラス製発光管を有する紫外線放射型の蛍光ランプにおいて、前記石英ガラス製発光管の光照射方向の背面側に放電空間側表面に形成された、石英ガラスよりも軟化点が低いガラス粉末の層が焼成されてなるガラス層と、このガラス層の放電空間側の表面に形成された紫外線を放射する蛍光体層と、前記ガラス層と石英ガラス製発光管の間であって、光取出領域を除いて形成されたシリカ粒子を含む紫外線反射体とを有することを特徴とする。
また、紫外線反射体は、シリカ粒子とアルミナ粒子を含む膜からなることを特徴とする。また、ガラス層は、ホウケイ酸ガラス粉末およびアルミノケイ酸ガラス粉末のいずれかを含むことを特徴とする。

上記構成によれば、石英ガラス製発光管と蛍光体層の間に、軟化点が石英ガラスの軟化点よりも低い材料からなるガラス層が形成されているので、ガラス層の粒子の表面が軟化する温度まで上昇させることで、蛍光体をガラス層に付着させることができる。また、ガラス層と石英ガラスもガラス層の粒子表面が軟化することで、石英ガラス表面と部分的に溶着することで固着させることができる。また、紫外線反射体とガラス層の間は、ガラス層の粒子の表面が軟化することで、紫外線反射体表面のシリカやアルミナ粒子とガラス層の間を固着することができる。紫外線反射体については、シリカゾルの焼成により、粒子表面にシリカガラス層ができて、石英ガラスとの固着を行っている。以上の構成により、ガラス層と発光管の間に紫外線反射体を有することで、蛍光体で発生した紫外線を特定方向に反射させることで高い放射効率を得ることができる。

図１はこの発明に係る蛍光ランプ（以下、単に「ランプ」ともいう）を示し、（ａ）は長手方向の断面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。
蛍光ランプは発光管（ガラス管）１より構成されており、発光管１の外壁には、一対の帯状電極２（２ａ，２ｂ）が、発光管１の長手方向に同じように伸びるよう配設される。電極２（２ａ，２ｂ）には保護膜３が被さる。発光管１の内部には、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を生成するためのガス、例えば、キセノンガスが１００Ｔｏｒｒ封入されており、各々の電極に図示略の交流電源が接続されており、交流電力が供給されると、発光管１を構成する材料である石英ガラスを介在させて発光管１の内部に誘電体バリア放電が発生する。

発光管１の内壁には、断面方向約半周に紫外線反射体４が形成されている。この紫外線反射体４は、一方の電極２ａに相当する位置と他方の電極２ｂに相当する位置を跨るように形成されている。さらに、発光管１の内壁及び紫外線反射体４の内面にはガラス層５が形成されており、さらに、その内面には蛍光体層６が円周方向のほぼ同一の厚みで形成されている。ガラス層５と蛍光体層６は発光管１の内周面全域に形成されているので、紫外線反射体４はガラス管１と蛍光体層６に挟まれるように構成されることになる。紫外線反射体４が形成されていない領域は光取り出し領域となる。発光管１の内部であって一端には、例えばペースト状の始動アシスト用導電性部材７が塗布されている。

誘電体バリア放電によって発生した紫外線、例えば波長１７２ｎｍの光は、蛍光体層６を刺激することで波長２５０〜３８０ｎｍの紫外光に変換されて放射される。この紫外光は、直接あるいは紫外線反射体４で反射されてランプ外部に放射される。

紫外線反射体４は、シリカ粒子（ＳｉＯ２）とそれ以外の粒子、例えば、アルミナ粒子（Ａｌ２Ｏ３）から構成される。シリカ粒子は、放電容器を構成する材料と同じ物質でもあるため接着性（接着強度）という点で有用である。また、アルミナ粒子はシリカ粒子よりも紫外線を反射する能力が高い点で利用される。従って、仮に、反射体４をシリカ粒子（ＳｉＯ２）のみで構成させると、紫外線の反射機能という点で、シリカ粒子（ＳｉＯ２）とアルミナ粒子（Ａｌ２Ｏ３）からなる反射膜に対して劣ることになり、また、仮に、反射体４をアルミナ粒子（Ａｌ２Ｏ３）のみから構成させると、発光管１との接着性が低下して、アルミナ粒子が剥離するという問題を生じかねない。シリカ粒子以外の粒子はアルミナ粒子に限定されるわけではなく、シリカ粒子よりも紫外線の反射能力が高い粒子であれば代替させることができる。例えば、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化ランタン、フッ化セリウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムなどの粒子を使うことができる。また、放電容器への接着性と真空紫外光の反射特性を低下させないという機能を併せて有する限り、シリカ粒子とアルミナ粒子に加えて上記粒子を混在させてもよい。シリカ粒子（ＳｉＯ２）と他の粒子との混合比率は、放電容器の接着性という観点からシリカ粒子を３０重量％以上とすることが好ましく、また、他の粒子として、アルミナ粒子を使った場合は、真空紫外光の反射機能という観点も考慮して、シリカ粒子の比率は５０〜１００重量％未満の範囲が好ましい。

ガラス層５は発光管１の基材となる石英ガラスの軟化点（１６００℃）よりも低い軟化点を有するガラスが使われる。特に、軟化点が蛍光体の焼成温度（４００〜９００℃）の範囲にあるガラスであり、耐熱衝撃性の優れた硬質ガラスが望ましい。なかでも、ホウケイ酸ガラス（Ｓｉ−Ｂ−Ｏ系ガラス、軟化点：約８００℃）、アルミノケイ酸ガラス（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系ガラス、軟化点：約９００℃）は適している。

蛍光体層６は、例えば、ユ−ロピウム付活ホウ酸ストロンチウム（Ｓｒ−Ｂ−Ｏ：Ｅｕ（以下ＳＢＥと称する。）、中心波長３６８ｎｍ）蛍光体、セリウム付活アルミン酸マグネシウムランタン（Ｌａ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ：Ｃｅ（以下、ＬＡＭと称する。）、中心波長３３８ｎｍ（ただしｂｒｏａｄ））蛍光体、ガドリニウム、プラセオジム付活リン酸ランタン（Ｌａ−Ｐ−Ｏ：Ｇｄ，Ｐｒ（以下、ＬＡＰ：Ｐｒ，Ｇｄと称する、中心波長３１１ｎｍ）蛍光体などが使われる。これらの蛍光体は、いずれも波長２５０ｎｍ未満の領域の紫外光を吸収して、各々有する中心波長帯の紫外線に変換する。

電極は、例えば、銀または金、アルミテープなどから構成される。なお、帯状電極に限定されるものではなく、直線状の電極であってもかまわない。

本発明の蛍光ランプは、石英ガラス製の発光管１と蛍光体層６の間に、軟化点が石英ガラスの軟化点よりも低い材料からなるガラス層５が形成されている。このため、ガラス層５の軟化温度で加熱させることで蛍光体（蛍光体層６の構成材料）をガラス層５に付着させることができる。また、ガラス層５と石英ガラス１の固着もガラス層５の軟化温度で可能となる。さらには、ガラス層５と発光管１の間に紫外線反射体４を有しているので、紫外線を特定方向に反射させることで高い放射効率を得ることができる。

図２は図１（ｂ）に示した蛍光ランプの断面構造の変形例を示す。具体的には、図１（ｂ）に示した蛍光ランプは蛍光体層６の厚みが円周方向でほぼ同一であるのに対し、図２（ａ）に示した蛍光ランプは蛍光体層の厚みが円周方向で変化している。より具体的には、蛍光体層４は、紫外線反射体４が存在する領域は厚くなっており、紫外線反射体４が存在しない領域、すなわち、光取り出し領域では薄くなっている。
この構造の利点は、光取り出し領域の蛍光体層６を薄くすることで、紫外線反射体４で、反射した紫外線の透過率を、上げることができると同時に、蛍光体層６で、誘電体バリア放電によって発生した紫外線を、波長２５０〜３８０ｎｍに変換した紫外光を、加えることができ、合計した紫外線強度を上げることができる。
また、図２（ｂ）に示した蛍光ランプは、蛍光体層は紫外線反射体４が存在する領域のみ存在し、紫外線反射体４が存在しない領域、すなわち光取出領域には存在しない。
この構造の利点は、光取り出し領域の蛍光体層６をなくすことで、紫外線反射体４で、反射した紫外線の透過率を上げることができ、図２（ａ）の場合よりも、製作が容易であることである。

図３も図１に示した蛍光ランプの断面構造の変形例を示す。具体的には、図1に示した蛍光ランプは発光管の断面形状が円形であるのに対し、図3に示した蛍光ランプは発光管の断面形状が矩形状である。従がって、図3に示される実施形態は、全体として扁平形状の発光管になる。
発光管１の一方の外表面に一方の電極２ａが設けられており、他方の外表面に他方の電極２ｂが設けられている。各電極は光を透過させるために網目状になっている。
この蛍光ランプにおいても、発光管１の内壁に紫外線反射体４が形成されており、その内面にガラス層５と、蛍光体層６が形成されている。図１において説明した始動アシスト導電性部材は省略している。

図４に示す蛍光ランプは、２つの電極がいずれも発光管１の中に存在するタイプである。発光管１の内面には、図１に示した蛍光ランプと同様に、紫外線反射体４、ガラス層５、蛍光体層６が順に形成されている。発光管１は石英ガラスからなり、単部には封止板１１が取り付けられており、封止板１１を貫通してフィラメント型の電極２が取り付けられる。
通常、発光管には、バッファガスとして、Ａｒを主成分とする希ガスと、水銀が封入された低圧水銀放電を行うランプである。

次に、図１に示した蛍光ランプの製造方法について説明する。図４は図１に示した蛍光ランプの製造ステップを示すフローチャートである。

ステップ１は紫外線反射体を形成する工程である。
シリカ粒子とアルミナ粒子を含有したゾルゲル液から懸濁液を作り、その溶液を発光管用材料の内表面に流すことで紫外線反射体を作ることができる。紫外線反射体の厚さは、流下する回数や懸濁液が流れる速度を制御することでコントロールできる。紫外線反射体を形成した後、５００〜１０００℃での大気中焼成を行い、紫外線反射体を固着させる。

ステップ２はガラス層を生成する工程である。
まず、塊状のガラスを細かく砕きボールミルにかける。粉砕したガラス粉末はメッシュにより粒径を分類し、例えば、平均粒径が０．５〜１０μｍ（好ましくは１〜５μm）のガラスの粉末を抽出する。このガラス粉末を、例えばニトロセルロース、酢酸ブチル液と重量比１：４〜１：１０の割合で混合して、当該混合液をアルミナボールとともにボールミルにより十分ミリングしスラリーを生成する。以下、このガラス粉末を分散させたスラリーを「ガラススラリー」と称する。次に、このガラススラリーを発光管用材料の内表面に塗布する。発光管用材料は、一方の端部に２つの排気管が形成された管である。これを垂直に保持して、前記ガラススラリーを満たした容器の液面に、一方の排気管を入れてスラリーを吸引する。吸引されたガラススラリーは、発光管用材料の内部に充填されるが、他方の排気管から抜き出すことで内表面に塗布させることができる。なお、ガラススラリーの粘度や塗布回数を調整することによって、最終的に得られるガラス層の厚みを調整することができる。ガラススラリーの厚みは１〜３０μｍの範囲に形成されることが好ましい。なお、所定の紫外光について高い透過率を得るため、ガラス層の厚みは、後工程で形成する蛍光体層を保持できる範囲で可能な限り小さい方が好ましい。これは、ガラス層での紫外線の吸収を最小限に留めるためである。

次に、ガラススラリーを乾燥させる。
発光管用材料に取り付けられた２つの排気管を使って乾燥窒素ガスを循環させることで、ガラススラリーに含まれる酢酸ブチルを蒸発させる。この結果、発光管用材料の内表面に厚さが１〜３０μｍのガラス粉末が堆積した層（ガラス層）が形成される。なお、乾燥に用いるガスは乾燥空気でも良い。そして、ガラス層を焼成させる。具体的には、ガラス管を加熱することでガラス粉末を焼成させるが、焼成条件は、大気中であって、約５００〜１０００℃、時間としては、最高温度での保持時間で表すと、０．２〜１時間となる。上述したホウケイ酸ガラス粉末やアルミノケイ酸ガラス粉末を用いた場合には、６００〜９００℃で行うのが好ましい。そして、このような焼成工程によって粒子同士が結合するとともに、ガラス管に融着し、ガラス層が基材に強力に結着する。また、ガラス層が、粉末の状態であると、蛍光体で発生した紫外線の反射層としての機能も有する。なお、ガラス層は、溶融温度まで昇温しないことから通常は粉末状の形態を維持しているが、更に温度を上げて溶融させた状態としても構わない。

ステップ３は蛍光体を発光管用材料の内面に塗布する工程である。
蛍光体の塗布方法はステップ２と同様であり、発光管形成材料を垂直に保持し、蛍光体スラリーを満たした容器の液面に、排気管の一方を入れ、一方の排気管から吸引を行い、蛍光体スラリーを吸い上げ管内部に蛍光体スラリーを充填し、その後、他方の排気管から抜いて塗布する。ついで、蛍光体スラリーを乾燥させる。発光管用材料の一方の排気管Ａから、もう一方の排気管へ、乾燥窒素ガスを流すことで、蛍光体スラリーに含まれる酢酸ブチルを蒸発させる。乾燥に用いるガスは、乾燥空気でも良い。さらに、蛍光体を焼成する工程である。発光管用材料を炉に入れて焼成する。焼成条件は、大気雰中で、約５００〜８００℃であり、最高温度での保持時間にして、０．２〜１時間加熱する。この焼成工程において、蛍光体層とガラス層との境界面でガラスのごく表面の軟化が生じて蛍光体がガラス層に結着し、結果的に、強固な結合状態が得られる。この結果、石英ガラスからなる発光管構成用材料の内表面上に、低軟化点ガラス粉末からなるガラス層、蛍光体層がこの順に積層された状態が得られる。なお、大気中での劣化が激しい蛍光体の場合は、大気中でニトロセルロースが焼失する温度まで昇温したのち、非酸化雰囲気ないし還元雰囲気にすることにより、約８００度程度までの加熱を行うことが可能である。

ステップ４は希ガスを封入して封止する工程である。具体的には、排気管の内面に付着した蛍光体層およびガラス層を取り除いた後、一方の排気管を加熱封止し、他方の排気管より排気を行い、所定の希ガス（封入物）を封入して気密封止（チップオフ）する。この結果、気密な放電空間が形成された蛍光ランプ用の発光管が得られる。
封入する希ガスは、例えば、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、アルゴン（Ａｒ）である。図４の場合は、排気時に、水銀も同時に封入する。
ステップ５は電極を取り付ける工程である。

このような製造工程で蛍光ランプについて、具体的な数値例を挙げる。
発光管の全長は３００〜２０００ｍｍの範囲から選択されて、例えば1500ｍｍ、発光管の肉厚は１〜４ｍｍであり、例えば２ｍｍである。また、蛍光体層の平均厚さは１０〜２０μｍの範囲から選択されて、例えば、１５μｍであり、蛍光体層と発光管の間に形成された低軟化点ガラスからなるガラス層の厚さは１〜３０μｍの範囲から選択され、例えば１０μｍである。

次に、本発明の効果を表す実験について説明する。
図３に示す蛍光ランプと同一形態のランプをランプ１、図３に示す蛍光ランプから紫外線反射体４が存在しないランプをランプ２として、出射面における相対照度を測定した。
相対照度は、比較ランプに対する照度の相対値を使っている。
図６に相対照度値を示し、図７に発光スペクトルを示す。
実験結果より、紫外線反射体を使ったランプ１は比較ランプに対して波長300〜340nmにおいて相対照度値が「4.4」であり、波長340〜400nmにおいて相対照度値が「3.8」であった。また、蛍光体層だけの設けたランプ２は比較ランプに対して波長300〜340nmにおいて相対照度値が「3.1」であり、波長340〜400nmにおいて相対照度値が「2.6」であった。
また、図７に示す発光スペクトルは縦軸に比較ランプの波長３４０nmにおける照度を基準とした相対値を示している。紫外線反射体を設けたランプ１も蛍光体層だけのランプ２もいずれも波長340ｎｍ付近にピークを有しており、ランプ１の照度は、ランプ２の照度に比較して格段に高いことがわかる。

以上説明した蛍光ランプは、一対の電極がいずれも放電空間の外部に位置されたものであったが、このような例に限定されず、例えば少なくとも一方の電極が内部に配置されたものでも適用できる。なお、放電空間内に電極を配置する場合は、封止工程の前に電極を取り付ければよい。

以上のように、本発明に係る蛍光ランプは、石英ガラス製発光管と蛍光体層の間に、軟化点が石英ガラスの軟化点よりも低い材料からなるガラス層が形成されているので、ガラス層の軟化温度で加熱させるだけで蛍光体をガラス層に付着させることができる。また、ガラス層と石英ガラスもガラス層の軟化温度で固着させることができる。さらには、ガラス層と発光管の間に紫外線反射体を有しているので、紫外線を特定方向に反射させることで高い放射効率を得ることができる。

本発明に係る蛍光ランプの構成を示す。 本発明に係る蛍光ランプの他の実施形態を示す。 本発明に係る蛍光ランプの他の実施形態を示す。 本発明に係る蛍光ランプの他の実施形態を示す。 本発明に係る蛍光ランプの製造方法を示す。 本発明の実験結果を示す。 本発明の実験結果を示す。

符号の説明

１ 発光管
２ 電極
３ 保護膜
４ 紫外線反射体
５ ガラス層
６ 蛍光体層

Claims (3)

1. 石英ガラス製発光管を有する紫外線放射型の蛍光ランプにおいて、
   前記石英ガラス製発光管の光照射方向の背面側に放電空間側表面に形成された、石英ガラスよりも軟化点が低いガラス粉末の層が焼成されてなるガラス層と、
   このガラス層の放電空間側の表面に形成された紫外線を放射する蛍光体層と、
   前記ガラス層と石英ガラス製発光管の間であって、光取出領域を除いて形成されたシリカ粒子を含む紫外線反射体とを有する
   ことを特徴とする蛍光ランプ。
2. 前記紫外線反射体は、シリカ粒子とアルミナ粒子を含む膜からなることを特徴とする請求項１に記載の蛍光ランプ。
3. 前記ガラス層は、ホウケイ酸ガラス粉末およびアルミノケイ酸ガラス粉末のいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の蛍光ランプ。
   

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