JP2005529461A - 蛍光灯およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

低圧水銀蒸気放電ランプには光透過性放電管（10）が設けられ、これは水銀および希ガスの充満した放電空間（11）を気密式に取り囲む。放電管（10）は放電空間（11）におい放電を持続させる手段（41A）を有する。放電管（10）の内壁の少なくとも一部には半透明層（16）が設けられ、本発明の半透明層の厚さは1から50μmの範囲にあり、アルカリ土類ホウ酸塩を有する。半透明層（16）の出発原料は、カルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムのホウ酸塩のナノ粒子であり、そのような厚さの半透明層を形成できる。放電管（10）はナトリウムリッチなガラス、あるいはソーダ石灰ガラスで構成され、ガラス組成は以下の主要成分を有する。すなわち重量で60乃至80%のSiO₂および10乃至10%のNa₂Oである。

Description

本発明は低圧水銀蒸気放電ランプに関するものであって、この低圧水銀蒸気放電ランプは光透過性放電管を有し、前記放電管は水銀および希ガスの充満した放電空間を気密式に取り囲み、前記放電管は前記放電空間で放電を持続させる手段を有し、前記放電管の内壁の少なくとも一部には半透明層が設けられている。

本発明はさらに小型蛍光灯に関する。

本発明はさらに蛍光灯の製造方法に関する。

水銀蒸気放電ランプにおいて水銀は、紫外（UV）線を（効果的に）発生させる主要な成分である。発光層は発光体（例えば蛍光粉末）を有し、放電管の内壁に設けられ、UVを他の波長の、例えば日焼け効果（サンパネルランプ）用のUV-BおよびUV-Aまたは通常の照明目的の可視光に変換する。そのような放電ランプは蛍光灯とも呼ばれる。低圧水銀放電ランプの放電管は通常、断面が管状か円状であって、細長い形状および小型の形状の双方を有する。一般に管状放電管、いわゆる小型蛍光灯は比較的短径で比較的短い直線部分の集まりを有し、この直線部分はブリッジ部またはアーク状の部分によって相互に接続される。小型蛍光灯には通常、（結合された）ランプキャップが備わっている。

低圧水銀蒸気放電ランプには、放電ランプの作動中、放電空間にある放電部と接する放電管の内壁の部分について黒ずみを防ぐための手段が設けられることは良く知られている。そのような黒ずみは、水銀と放電管を構成するガラスの間の相互作用によって生じるが、光束維持を低下させるのみならず、ランプの外観を汚らしく見せるため好ましくなく、特に、例えば暗いしみや斑点のような黒ずみがランダムに生じる場合には好ましくない。

前述の種類の低圧水銀蒸気放電ランプは国際公開WO-A01/56350号に示されている。従来の低圧水銀蒸気放電ランプの放電管の内面に設けられた半透明層は、アルカリ土類金属のホウ酸塩若しくはリン酸塩および／またはスカンジウム、イットリウム若しくは別の希土類金属のホウ酸塩若しくはリン酸塩を有する。従来の放電ランプにおける半透明層の厚さは5から200nmの間にある。

従来の低圧水銀蒸気放電ランプの使用の問題は、前記黒ずみによりその光束維持が比較的小さいことである。さらにその結果、従来のランプの場合、十分に長いサービス寿命を確保するため、比較的多くの水銀が必要となる。これはサービス寿命完了後に無分別な処理を行った場合、環境に悪影響を及ぼす。
国際公開第01/56350号パンフレット

本発明の課題は上述の問題を完全にあるいは部分的に排除することである。特に本発明の課題は光束維持が改善された前述の種類の低圧水銀蒸気放電ランプを提供することである。

本発明では、前述の種類の低圧水銀蒸気放電ランプは、この目的のため、半透明層がアルカリ土類金属を有し、その厚さが1から50μmの範囲にあることを特徴とする。

上述の組成で上述の範囲の厚さを有する半透明層を有する本発明の低圧水銀蒸気放電ランプは、作動中に低圧水銀蒸気放電ランプの放電管内に充満する水銀および希ガスの雰囲気の作用に対して良好な耐久性がある。その結果、水銀と放電管を形成するガラスとの間の相互作用による黒ずみが抑制され、光束維持が改善される。放電ランプのサービス寿命期間、より少ない量の水銀が放電部から回収され、放電ランプの水銀消費の抑制ができ、さらに低圧水銀蒸気放電ランプの製造時にはより少ない水銀で足りることになる。

放電部からの水銀の除去によって生じる黒ずみは直線部分の他、低圧水銀蒸気放電ランプのアーク部分にも生じる。通常黒ずみは放電管の内壁に十分に密着した十分な厚さの半透明層を設けることによって抑制される。通常、小型蛍光灯のアーク状のランプ部分は直線ランプ部分に比べてより黒ずみ化し易い。アーク状のランプ部分は通常、管状放電管に半透明層、および必要な場合は発光層、が設けられるまで曲げ加工されない。曲げの処理中にはアーク状のランプ部分における半透明層の厚さは減少し、半透明層が伸ばされることによって層内にクラックが生じる場合がある。クラックの発生は従来の放電ランプでは、半透明層の厚さが500nmよりも薄くなると生じる。本発明の半透明層の適用により黒ずみ化が低圧水銀蒸気放電ランプの直線部分の他、アーク状部分でも有意に抑えられる。

従来の放電ランプにおいて、半透明層は放電管を適切な金属-有機化合物の混合溶液でフラッシングすることにより形成される。例えばイットリウムアセテートにカルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムアセテートを混ぜたもの、および例えばホウ酸のような希釈酸溶液である。所望の半透明層はその後の乾燥および焼結を経て形成することができる。特に放電ランプのアーク状部分を形成するための曲げ加工の間に、半透明層自身が放電管の壁と融合し、ある量のナトリウムが放電管の壁から拡散することが知られている。これは水銀消費量を増大させ、放電管の黒ずみ化を助長する。特にこれは低圧水銀蒸気放電ランプのアーク状部分において顕著である。放電管の壁への半透明層の（完全な）融合を回避するため、半透明層の厚さを増すことができるようにすることが好ましい。従来の放電ランプにおいてはフラッシング溶液が飽和するため、これは不可能である。この理由により従来の放電ランプにおいては半透明層の厚さは数百μmに制限される。

本発明はアルカリ土類ホウ酸塩、特にカルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムホウ酸塩の「ナノ粒子」を用いることにより、従来の放電ランプにおける化合物塩で構成される半透明層の厚さよりも有意に厚い半透明層を構成することができるという認識によるものである。本発明の説明における「ナノ粒子」という用語は粒子径が0.1から1μmの範囲にある粒子を表す。カルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムホウ酸塩の微粒子材料の軟化点は、曲げ加工中に粒子が相互に融合するときの温度よりも十分に低い。その上、緻密な半透明層を得ることができ、その厚さのため、半透明層はその下の放電管壁と完全に反応することはない。実験では本発明による半透明層はカルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムホウ酸塩のナノ粒子で構成され、比較的高いゼロ電荷点を示し、比較的水銀消費は少ない。アルカリ土類ホウ酸塩のナノ粒子から半透明層を構成することの別の利点は、アルカリ土類ホウ酸塩の粒子サイズはUV線の波長とほぼ同等であることである。これは半透明層をUV線の反射器として用いることを可能にする（粒子のサイズは約0.5μmから約0.6μmの範囲にある）。本発明の半透明層を用いることにより、比較的低水銀消費の低圧水銀蒸気放電ランプを得ることができる。

本発明の手段はアーク状ランプ部分を持つ小型蛍光灯に特に適しており、放電管はさらに光透過性外囲器で覆われる。そのような「被覆」小型蛍光灯の放電管の温度は比較的高い。これは周囲への放熱が外囲器の存在によって抑制されるためである。この好ましくない温度バランスは、黒ずみの状態を顕著にし、従来の放電ランプの光束維持に悪影響を及ぼす。実験では意外にも、本発明の低圧水銀蒸気放電ランプを備えた小型蛍光灯の光束維持は、外囲器で覆われた放電管の場合、2000時間の照射後に90%を越える光束維持を示した。一方従来の低圧水銀蒸気放電ランプを備えた同様の小型蛍光灯の光束維持は、外囲器で覆われた放電管の場合、2000時間の照射後に80%未満となった。

本発明の低圧水銀蒸気放電ランプにおける半透明層はさらに、光および放射の透過率に対する要求を満足し、低圧水銀蒸気放電ランプの放電管の内壁に均一な半透明層として容易に付与することができる。

半透明層は50μmの厚さで、アルカリ土類ホウ酸塩のナノ粒子で構成することができる。ホウ酸ストロンチウムのナノ粒子はそのような厚さの層を形成するのに特に適している。近似的に50μmよりも厚い半透明層を構成すると、低圧水銀蒸気放電ランプにおいて光束損が生じる。半透明層の厚さは1から20μmの範囲にあることが好ましい。

半透明層の厚さは10から20μmの範囲にあることがさらに好ましい。半透明層の厚さが近似的に10μmよりも薄くなると、特に工場状況下での放電管の曲げ加工の間、カルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムホウ酸塩の微粒子は壁と完全に反応してしまう。実験室での実験のように条件を常に正確に揃えることができない生産環境ではリスクが高まってしまう。小型蛍光灯の放電管の直線部分は、半透明層における粒子を溶融する程の高温には至らず、従って半透明層内で光を散漫散乱させることになる。小型蛍光灯の放電管のアーク状部分は、半透明層内の粒子を十分に溶融させる温度に到達するため、結果的に透明な層となる。半透明層はさらにスカンジウム、イットリウムまたは他の希土類金属を有することが好ましい。そのような材料は壁を黒ずみ化からよりいっそう保護する。特にイットリウム酸化物は保護層として機能することが知られている。

本発明の低圧水銀蒸気放電ランプの好適実施例においては、放電管が二酸化珪素および酸化ナトリウムを有するガラスで構成されることに特徴があり、ガラス組成は重量百分率で表される以下の基本成分を有する。重量でSiO₂：60乃至80%およびNa₂O：10乃至20%である。本発明のナトリウムリッチなガラスと組み合わせた本発明の半透明層の利用は、低圧水銀蒸気放電ランプのアーク状部分の他に直線部分においても黒ずみ化を有意に抑制する。

ガラス組成は以下の成分を有することが好ましい。重量でSiO₂：70乃至75%、Na₂O：15乃至18%およびK₂O：0.25乃至2%である。そのようなナトリウムリッチなガラスの組成は普通の窓ガラスの組成と同様であり、従来の放電ランプに用いられるガラスに比べて比較的安い。本発明の放電ランプに用いられるナトリウムリッチなガラスの原料コスト価格は、従来の放電ランプに用いられる混合アルカリガラスの原料コスト価格の約50%に過ぎない。さらに前記ナトリウムリッチなガラスの伝導性は比較的低く、250℃で約logρ=6.3である。本発明の半透明層の利用により、放電管の壁の材質としてソーダ石灰ガラスを有し比較的低水銀消費の低圧水銀蒸気放電ランプが提供される。

本発明の低圧水銀蒸気放電ランプの好適実施例においては、半透明層が放電空間と面する側には発光体の層が設けられることに特徴がある。低圧水銀蒸気放電ランプに本発明の半透明層を利用することの利点は、発光体（例えば蛍光粉末）を有する発光層のそのような半透明層に対する密着性が、従来の低圧水銀蒸気放電ランプの半透明層に比べて、良好であることである。前記改善された密着性は特に低圧水銀蒸気放電ランプのアーク状部分において認められる。

本発明はさらに蛍光灯の製造方法に関し、その製造方法において光透過性放電管は、水銀および希ガスの充満した放電空間を気密式に取り囲むように提供され、前記放電管には前記放電空間で放電を持続させる手段が設けられ、前記放電管の内壁の少なくとも一部には半透明層が設けられ、前記半透明層の形成にはアルカリ土類ホウ酸塩粒子が用いられ、カルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムホウ酸塩の粒子径は0.1から1μmの範囲にある。

本発明のこれらおよび他の態様は以下に説明される実施例を参照して理解されるであろう。

図面は単なる例示であって、縮尺は示されていない。特に明確化のため、ある部分の寸法は誇張されている。図において可能な限り同一の構成物には同じ参照符号が付されている。

図1には低圧水銀蒸気放電ランプを有する小型蛍光灯を示す。低圧水銀蒸気放電ランプには放射を透過する放電管10が設けられ、この放電管は、体積が約10cm³の放電空間11を気密して蔽っている。放電管10は、少なくとも断面が実質的に円状のガラス管であって、（有効）内径Dは約10mmである。管はいわゆるホック状に曲げられており、この実施例においては、管は直線部分を有し、その２つの部分は参照符号31、33として図1Aに示されている。放電管はさらにアーク状の部分を有し、その２つの部分は参照符号32、34として図1Aに示されている。放電管10の内壁12には本発明の半透明層16および発光層17が設けられている。別の実施例では発光層は排除される。放電管10はハウジング70によって支持され、このハウジングはさらに、それ自体は既知の電気的および機械的な接触部73a、73bの設けられたランプキャップ71を支持している。低圧水銀蒸気放電ランプの放電管10は光透過性外囲器60によって覆われ、外囲器はランプハウジング70に取り付けられる。光透過性外囲器60の外観は通常、つや消し状である。

図1Bには図1Aに示される低圧水銀蒸気放電ランプの細部の断面図を概略的に示す。放電管10の放電空間11は水銀および希ガスを有し、この例では希ガスはアルゴンである。放電持続手段は電極組41a（図1Bには片方の電極しか示されていない）によって構成され、この電極組は放電空間11に配置される。電極組41aは電子放出物質でコーティングされた螺旋状のタングステンであって、ここでは酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化ストロンチウムの混合物である。各電極41aは放電空間10の（ジグザグ状の）端部（図1AおよびBには示されていない）で支持される。給電導体50a、50a’は電極組41aから出て放電空間10の端部を通り外部に導出される。給電導体50a、50a’はハウジング70に収容された（電気）電源装置に接続され、ランプキャップ71（図1A参照）の電気的接点73bに電気的に接続される。

低圧水銀蒸気放電ランプの放電管の壁のガラスは、重要な成分として二酸化珪素と酸化ナトリウムを有する組成を有する。図1Aおよび1Bに示される例では、放電管はいわゆるナトリウムリッチなガラスで構成され、ガラスは例えば以下の組成である。すなわち重量で70乃至74%のSiO₂、16乃至18%のNa₂O、0.5乃至1.3%のK₂O、4乃至6%のCaO、2.5ないし3.5%のMgO、1乃至2%のAl₂O₃、0乃至0.6%のSb₂O₃、0乃至0.15%のFe₂O₃および0乃至0.05%のMnOである。

低圧水銀蒸気放電ランプの実施例においては、粒子径が約0.1から約1μmのSrB₄O₇のいわゆるナノ粒子を用いて、本発明の半透明層16を形成する。化学量論的な量のSrCO₃とH₃BO₃が混合され、大気中において白金坩堝内で溶融される。冷却後にガラスは粉砕され、ブチルアセテートとともに2時間挽かれ、さらにジルコニアボールで48時間回転される。結果として得られるSrB₄O₇のアモルファス粒子の平均粒径は0.6μmである。管状放電管にはコーティングが施工される。このコーティング処理の後、放電管は大気中で約60℃の温度で15分乾燥される。別の実施例では透明コーティングはより高温のより短時間で固定化される。半透明層16の厚さは約1μmから約50μmの範囲にあり、約10μmから約20μmの範囲にあることがより好ましい。別の実施例ではBaB₄O₇またはCaB₄O₇のナノ粒子が用いられる。

次に放電管には3つの従来の蛍光体を有する発光コーティングが設けられる。3つの従来の蛍光体とは、テルビウム活性化セリウム-マグネシウムアルミネートの緑の発光体、２価のユーロピウム活性化バリウム-マグネシウムアルミネートの青の発光体、および3価のユーロピウム活性化酸化イットリウムの赤の発光体である。コーティング後に放電管は従来の「ホック」状に曲げられ、直線部分と弓形の部分を有するようにされる。次に前記放電管の多くは、慣例的な方法で低圧水銀蒸気放電ランプに組みつけられる。次にこれらの放電ランプの多くには、上述の3つの製法の1つに基づいて（図1Aに示された例参照）、透明外囲器が設けられる。実験は2つの長さ、すなわち230mm（11W蛍光灯）および405mm（20W蛍光灯）の放電管について実施された。運転中のランプの電流密度はいずれも200mAであった。1000時間および2000時間後の光束維持が低圧水銀蒸気放電ランプに対して測定された。この低圧水銀蒸気放電ランプは、本発明の厚さ約15μmの半透明層（16）が設けられたナトリウムリッチなガラスで構成された従来の放電管を有し、その半透明層は本発明による平均径0.6μmのSrB₄O₇ナノ粒子で構成されたものである。この測定結果を表1に示す。光束維持は慣例的な方法で、放電ランプの100時間照射後の値に対して標準化されている。

表1には本発明による半透明層を設けた従来の放電管を有する放電ランプの光束維持を示す。1000時間および2000時間後の光束維持は実質的に向上している。最大の改善は光透過性外囲器を設けた放電ランプにおいて認められる。

本発明のナトリウムリッチなガラスと組み合わせた本発明の半透明層の利用は、低圧水銀蒸気放電ランプのアーク状部分の他に直線部分においても黒ずみ化を実質上抑制する。水銀と放電管のガラスとの相互作用による壁の黒ずみ化は抑制され、光束維持の向上につながる。低圧水銀蒸気放電ランプのサービス寿命の間、放電部から少量の水銀が回収されるため、放電ランプの水銀消費の抑制が実現され、低圧水銀蒸気放電ランプの製造においてはより少ない水銀投与で足りることとなる。

本発明の範囲内で多くの変更が可能であることは当業者には明らかである。

本発明の保護範囲はここに示された例に制限されるものではない。本発明は各新しい特性および各特性の組み合わせにおいて具体化される。請求項内の参照符号は請求項の保護の範囲を限定するものではない。「有する」という言葉は請求項に記載されていない他の構成要素の存在を排除するものではない。構成要素の前の「1つの」という言葉はそのような構成要素の複数の存在を排除するものではない。

本発明の低圧水銀蒸気放電ランプを有する小型蛍光灯の実施例の断面図である。 図1Aに示す低圧水銀蒸気放電ランプの詳細部の断面図である。

Claims (13)

1. 光透過性放電管を有する低圧水銀蒸気放電ランプであって、前記放電管は水銀および希ガスの充満した放電空間を気密式に取り囲み、前記放電管は前記放電空間で放電を持続させる手段を有し、前記放電管の内壁の少なくとも一部には半透明層が設けられ、前記半透明層はアルカリ土類ホウ酸塩を有し、前記半透明層の厚さは1から50μmの範囲にあることを特徴とする低圧水銀蒸気放電ランプ。
2. 前記半透明層はSrB₄O₇を有することを特徴とする請求項1に記載の低圧水銀蒸気放電ランプ。
3. 前記半透明層はさらにスカンジウム、イットリウムまたは他の希土類金属を有することを特徴とする請求項1または2に記載の低圧水銀蒸気放電ランプ。
4. 前記半透明層の前記厚さは1から20μmの範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の低圧水銀蒸気放電ランプ。
5. 前記半透明層の前記厚さは10から20μmの範囲にあることを特徴とする請求項4に記載の低圧水銀蒸気放電ランプ。
6. 前記放電管は二酸化珪素および酸化ナトリウムを有するガラス組成で構成され、前記ガラス組成は以下の重量百分率で与えられる主要成分を有することを特徴とする請求項1または2に記載の低圧水銀蒸気放電ランプ：
   SiO₂ 60乃至80%
   Na₂O 10乃至20%。
7. 前記ガラス組成は重量比で以下の成分を有することを特徴とする請求項6に記載の低圧水銀蒸気放電ランプ：
   SiO₂ 70乃至75%
   Na₂O 15乃至18%
   K₂O 0.25乃至2%。
8. 前記半透明層が前記放電空間と面する側には発光体の層が設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の低圧水銀蒸気放電ランプ。
9. 請求項1または2に記載の低圧水銀蒸気放電ランプを有する小型蛍光灯であって、ランプハウジングは前記低圧水銀蒸気放電ランプの前記放電管に取り付けられ、前記ランプハウジングにはランプキャップが設けられることを特徴とする小型蛍光灯。
10. 前記低圧水銀蒸気放電ランプの前記放電管は前記ランプハウジングに取り付けられた光透過性外囲器で覆われることを特徴とする請求項9に記載の小型蛍光灯。
11. 光透過性放電管は、水銀および希ガスの充満した放電空間を気密式に取り囲むように提供され、前記放電管には前記放電空間で放電を持続させる手段が設けられ、前記放電管の内壁の少なくとも一部には半透明層が設けられた蛍光灯の製造方法であって、前記半透明層の形成にはアルカリ土類ホウ酸塩粒子が用いられ、カルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムホウ酸塩の粒子径は0.1から1μmの範囲にあることを特徴とする蛍光灯の製造方法。
12. 前記放電管は二酸化珪素および酸化ナトリウムを有するガラス組成で構成され、前記ガラス組成は以下の重量百分率で与えられる主成分を有することを特徴とする請求項11に記載の蛍光灯の製造方法：
    SiO₂ 60乃至80%
    Na₂O 10乃至20%。
13. 前記半透明層の形成にはSrB₄O₇粒子が用いられることを特徴とする請求項11または12に記載の蛍光灯の製造方法。

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