JP2013109991A

JP2013109991A - 希ガス蛍光ランプ

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Publication number: JP2013109991A
Application number: JP2011254639A
Authority: JP
Inventors: Koji Tagawa; 幸治田川; Atsuya Asayama; 淳哉朝山
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: JP5397455B2; CN103137422B; CN103137422A

Abstract

【課題】発光管の内面に、封入キセノンガスの発光によって励起されて紫外光を発生する蛍光体層が形成されてなる希ガス蛍光ランプにおいて、発光管が、特にアパーチャ部分で紫外線劣化することなく、紫外光透過率の低下を招かずに照度維持率の良好な希ガス蛍光ランプを提供することにある。
【解決手段】
前記発光管と蛍光体層の間には、該発光管の全内面にガラス粉末とセラミック粉末とを含有する保護層が形成されており、前記ガラス粉末は、前記発光管を構成する石英ガラスよりも軟化点が低いガラスの粉末よりなり、前記保護層は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては透過性を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては透過性を有しないセラミックの粉末よりなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、紫外領域の光を放射する希ガス蛍光ランプに関するものであり、特に、波長１７０〜２５０ｎｍ近傍の発光を得る希ガス蛍光ランプに係わるものである。

希ガス蛍光ランプは、透光性の発光管の内部にキセノンガスを含む希ガスを封入し、発光管の内面に蛍光体層が形成されて構成されている。
電極は、例えば発光管の外表面に管軸方向に延びるように形成された外部電極からなり、発光管の壁面および放電ガスである希ガスを挟んで対向配置される。前記電極間で発光管および放電ガスを介在させた放電が開始されると、キセノンガスの発光により波長約１７２ｎｍの光が生成され、これが蛍光体層に照射されることにより、蛍光体が励起され、励起光（波長約１７２ｎｍの光）よりも長波長の蛍光を放射する。この発光管内で生成された蛍光が、発光管の外部に放射される。
このような希ガス蛍光ランプは、従来、原稿用見取り用光源、バックライト等、照明用の分野で利用されており、専ら可視領域の光を放出するものであったが、近時、特開２０１０−０５６００７号公報（特許文献１）等に挙げられるように、紫外領域の光を放射する希ガス蛍光ランプが開発されている。

紫外光を利用する技術分野としては、波長約１７０〜２００ｎｍの範囲の紫外光を利用した気体中、液体中の有機物分解による不純物除去といった分野、或いは、波長約２２０〜２４０ｎｍの範囲の紫外光を利用した樹脂硬化、高分子の重合反応、半導体のｌｏｗ−ｋ膜の硬化等の分野がある。これらの各技術分野ではその処理を実行するためには、それぞれ最適な波長範囲を有する紫外光が利用されている。
紫外線光源として、従来知られるようなエキシマランプを用いる場合、その放射光の波長は単一波長、例えば、キセノンガスを封入したランプでは１７２ｎｍ、に限定されるため、各用途に適応させることが難しいという問題がある。これに対し、蛍光体を用いた希ガス蛍光ランプによれば、蛍光体の種類を選定し、更に複数の蛍光体を適宜に組み合わせることで、用途に応じた適切な波長範囲の紫外光を放射させることができ、各技術分野において適切な波長範囲の光源を提供することが可能になる。

このような、波長２５０ｎｍ以下の紫外光を放射する希ガス蛍光ランプでは、効率よく紫外光を放射するため、発光管としては短波長領域の紫外光に対して透過率の高い材料のものが使用され、具体的には石英ガラスが用いられている。
ところが、石英ガラス製発光管を備えた蛍光ランプでは、蛍光体を焼成する温度（焼成温度）と、石英ガラスの軟化点との間に乖離があるため、蛍光体層を形成する際に蛍光体の焼成温度では発光管が軟化せず、該蛍光体が発光管に十分に付着しないという問題がある。これを解決しようとして、石英ガラスの軟化点温度まで温度を上げようとすると蛍光体が劣化してしまうという問題があって、石英ガラス製の発光管内面に蛍光体層を安定的に形成することが困難である、という問題がある。
前記特許文献１には、このような問題に対して、石英ガラスと蛍光体層の間に、発光管を構成する石英ガラスよりも軟化点が低いガラスよりなる粉末の層を形成することにより、蛍光体を石英ガラス製発光管に密に付着させるものが提案されている。こうすることにより、蛍光体の熱的な劣化を抑えることができて効率の良好な希ガス蛍光ランプを実現できるものと期待されている。

図６は、上記従来の希ガス蛍光ランプ１の一例であり、アパーチャが形成された希ガス蛍光ランプを、発光管の管軸に垂直な断面で切断した断面図である。
石英ガラス製の発光管２の外面には軸方向に延びるように一対の外部電極３、４が設けられている。そして、その内面には石英ガラスよりも軟化点が低いガラス粉末よりなるガラス層５が形成され、その内面にはこれに積層して蛍光体層６が形成されている。これらのガラス層５および蛍光体層６は円周状の一部に切欠きが形成されていて、アパーチャ７を形成する。発光管２内で蛍光体層６により変換された紫外光はこのアパーチャ７から外部に放射される。
前記発光管２の外部電極６、７間に高周波高電圧が印加されると、発光管２内部に封入されたキセノンガスによる発光（波長１７２ｎｍ）が得られ、この発光（励起光）により蛍光体６が励起されて、該励起光よりも長波長の光が放射されるものである。

しかしながら、このような波長約２５０ｎｍ以下の紫外光を放射する希ガス蛍光ランプでは、照度維持率の低下が早期に発生し、十分な使用寿命を得ることができないことが判明した。このような現象は、指向性を具備させる目的で蛍光体層を部分的に取り除いてアパーチャを形成したものにおいて顕著に発生する。
発明者らはこの現象を鋭意検討した結果、かかる照度低下は、発光管を構成する石英ガラスの紫外光（ＵＶ）劣化に由来しており、当該劣化により紫外光の透過率が低下していくものであることを見出した。

以下、この現象について説明する。
希ガス蛍光ランプの発光管内部では、希ガスとしてキセノンが封入されており、放電によって該キセノンの主要な発光である波長１７２ｎｍの光が放射されると共に、キセノンの共鳴線である波長１４７ｎｍの真空紫外光など、短波長の光も発生している。
発光管は、その内部において、特にアパーチャ部分において、この短波長の真空紫外光に曝される結果、ＵＶ劣化が進行していき、紫外光の透過率が低下して、波長２５０ｎｍ以下の所望の紫外光の放射効率が低下しているものである。
しかも、キセノンの共鳴線は、キセノンガスの封入圧にも関係しており、封入圧が低い場合に、その発生割合が大きくなる。このため、エキシマランプのキセノン封入圧（約３０〜８０ｋＰａ）よりも封入圧が低く設定された希ガス蛍光ランプ（５〜５０ｋＰａ）では、前記短波長の紫外光の生成割合が大きくなってしまい、発光管のＵＶ劣化が一層顕著に生じることになる。
希ガス蛍光ランプにおいて、可視光を放射する場合においては発光管のＵＶ劣化が問題とならなかったが、紫外光を取り出す場合（とりわけ波長２５０ｎｍ以下の紫外光）においては、上記のように顕著な照度低下を引き起こすことになる。
また、これを解消しようとして、当該アパーチャ部分に、前記ガラス層を設けてしまうと、もともと紫外透過率の低いガラス層が、必要とする紫外光をも吸収してしまってその透過率が極めて悪くなってしまうので、該アパーチャ部分にガラス層をそのまま設けることもできない。

特開２０１０−０５６００７号公報

本発明は、上記のような事情に鑑みて、発光管の内面に、封入キセノンガスの発光によって励起されて当該励起光の波長よりも長波長の紫外光を発生する蛍光体層が形成されてなる希ガス蛍光ランプにおいて、発光管が、特にアパーチャ部分で紫外線劣化することなく、紫外光透過率の低下を招かずに照度維持率の良好な希ガス蛍光ランプを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明に係る希ガス蛍光ランプは、一対の電極を具備し、キセノンガスが封入された石英ガラスからなる発光管と、該発光管の内面にアパーチャを除いて塗布形成され、前記キセノンガスの発光によって励起されて当該励起光の波長よりも長波長の紫外光を発生する蛍光体層とからなる希ガス蛍光ランプにおいて、前記発光管と蛍光体層の間には、ガラス粉末とセラミック粉末とを含有する保護層が、該発光管の全内面に形成されており、前記ガラス粉末は、前記発光管を構成する石英ガラスよりも軟化点が低いガラスの粉末よりなり、前記保護層は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては透過性を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては透過性を有しないことを特徴とする。

また、前記保護層は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては、８０％以上の全透過率を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては、８０％未満の全透過率であることを特徴とする。
また、前記セラミック粉末は、α−アルミナ、フッ化マグネシウムのいずれかを含むことを特徴とする。

本発明に係る希ガス蛍光ランプによれば、石英ガラスからなる発光管の内表面上に、石英ガラスよりも低軟化点のガラスと、特定波長紫外光を透過するセラミック粉末を含有する保護層を設けたので、発光管の内面が、特に、アパーチャ部分において、短波長の光に曝されることを防いで、石英ガラスの劣化を抑制し、紫外光透過性を長期にわたって維持することができる。
この結果、アパーチャから放射される紫外光の照度の低下を抑えることができ、照度維持率の良好な使用寿命の長い希ガス蛍光ランプを提供することができる。

本発明に係る希ガス蛍光ランプの断面図。図１のＸ部の拡大断面図。図１のＹ部の拡大断面図。本発明の希ガス蛍光ランプの製造工程図。本発明の希ガス蛍光ランプの照度維持率を表すグラフ。従来の希ガス蛍光ランプの断面図。

図１は、本発明に係る希ガス蛍光ランプの断面図であり、（Ａ）は軸方向断面図、（Ｂ）は径方向断面図である。
図１（Ａ）に示すように、石英ガラスからなる発光管２の外周面上には、一対の外部電極３、４が対向配置されており、該外部電極３、４は管軸方向に伸びる概略帯状の形状をなし、例えば、銀（Ａｇ）とフリットガラスを混合した銀ペーストや、金（Ａｕ）とフリットガラスを混合した金ペーストなどの導電膜より形成されている。

発光管２は、紫外光に対して透過性の高い石英ガラスからなり、溶融石英ガラス、合成石英ガラス、オゾンレス石英ガラスのいずれでも使用可能である。そして、発光管２内には放電ガスとして希ガスが封入されるが、希ガスとしては、キセノンのみ、或いは、キセノンと他の希ガスの混合ガスのいずれであってもよい。

図１（Ｂ）に詳細が示されるように、前記発光管２の内面には、保護層８が円周上の全域に亘って形成されている。そして、この保護層８の内表面上に積層されるように蛍光体層６が形成されていて、この蛍光体層６は、その円周状の一部に切欠きが形成されていて、これがアパーチャ７を形成している。
蛍光体層６を構成する蛍光体は、キセノンの放電により放射された波長１７２ｎｍの光によって励起される特性を備えたものであって、放射される蛍光は波長約２００〜２４０ｎｍの範囲にピークを有するものである。
この蛍光体の具定例としては、ＹＰＯ_４：Ｎｄ（Ｙ−Ｐ−Ｏ：Ｎｄ）または、ＬＡＰ：Ｐｒ（Ｌａ−Ｐ−Ｏ：Ｐｒ）、ＬＡＰ：Ｎｄ（Ｌａ−Ｐ−Ｏ：Ｎｄ）が挙げられる。
蛍光体は、技術分野に応じ必要な波長のものを適宜選択して単独または所定の割合で混合して使用される。

そして、前記保護層８は、ガラス粉末とセラミック粉末とを含有しており、前記ガラス粉末は、前記発光管２を構成する石英ガラスよりも軟化点が低いガラスの粉末よりなり、また、前記保護層は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては透過性を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては透過性を有しない。
更に具体的には、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対して８０％以上の全透過率を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては、８０％未満の全透過率であることが好ましい。

前記保護層８に含まれるガラス粉末は、発光管２を構成する石英ガラスに対して蛍光体層４を付着させるためのものであり、そのガラスの特性として好ましくは、軟化点が蛍光体の焼成温度（４００〜９００℃）範囲にあるものである。
石英ガラス製発光管２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ガラス粉末が存在することで、蛍光体を石英ガラスの軟化点温度まで加熱することなく適正な焼成温度で焼成することができので、該蛍光体の劣化が少なくて紫外光への変換効率が良好な蛍光体層４が得られるとともに、当該焼成温度でも前記蛍光体層６と発光管２の間に介在する保護層８中のガラスが軟化するため、発光管２と蛍光体層６の結合を強固にすることができ、蛍光体層６が剥離、脱落したりすることがなく、照度ムラが生じるようなことがない希ガス蛍光ランプとすることができる。
具体的にその材質を述べると、ホウケイ酸ガラス（Ｓｉ−Ｂ−Ｏ系ガラス）およびアルミノケイ酸ガラス（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系ガラス）のうち、少なくともいずれかのガラスを含むことが望ましい。

また、前記保護層８に含まれるセラミック粉末は、１７０ｎｍ以上の紫外光に対して透過性を有し、１５０ｎｍ以下の紫外光をカットする特性を備える。より詳細には、希ガス蛍光ランプにおいて放射される波長帯１７０〜２５０ｎｍの紫外光を透過して、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収特性を備えるものである。そして、最終的に製品とされた希ガス蛍光ランプにおいては、点灯中に生成された放電およびキセノンの共鳴線による波長１４７ｎｍの短波長紫外光などを吸収して、発光管２を保護するとともに、波長１７０ｎｍ〜２５０ｎｍの必要な紫外光の透過性を高めるためのものである。
このセラミック材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２などである。これらの材料によれば、波長１５０ｎｍ以下の紫外光をカットするとともに、波長帯が１７０〜２５０ｎｍ範囲の紫外光の透過率が良好であり、放電空間に曝されたとしても化学的に安定しているので、保護層８として長期に亘って機能でき、長期間に亘って照度維持率を高く維持することができるようになる。

ここで、保護層８の構成材料について、仮にその全てをガラス粉末で構成する（セラミック粉末を含まない）と、ガラスにより紫外線透過率が悪くなり、これをアパーチャ部分７にも塗布すると、本来放射されるべき紫外光を効率的に取出すことができなくなってしまい、この構成は採用できない。
従って、本発明では、紫外光に対して透過率の低いガラス粉末の使用量については蛍光体層６を発光管２内面に保持できる程度に抑え、保護機能については、紫外線透過性を具備しつつ化学的に安定なセラミックスに担わせることとしたものである。これにより、保護層８をアパーチャ部分７に塗布形成しても所望の紫外光の透過効率は維持されるとともに、石英ガラスを劣化させる短波長紫外光を遮断するができるものである。

図２は、図１のパーチャ７部分であるＸ部拡大図であり、図３は、図１のアパーチャ以外の部分であるＹ部拡大図であって、前記機能を模式的に表したものである。
図２において、低軟化点ガラス粉末８１と透光性セラミック粉末８２とから構成される保護層８が発光管２の内面の全円周上に形成されていて、発光管２内で生成されたキセノンのエキシマ発光による約１７２ｎｍの光と、これにより蛍光体層４で変換された２００〜２５０ｎｍの光、即ち、１７０ｎｍ〜２５０ｎｍの光は、保護層８中のセラミック粉末８２を透過して発光管２外部に放射されていく。なお、ガラス粉末８１もこれらの光を完全に吸収するわけではないので、その一部はガラス粉末８１を透過していく。

一方、アパーチャ５以外の部分では、図３に示すように、発光管２内部でエキシマ発光により生じた１５０ｎｍ程度の短波長紫外光は、ガラス粉末８１およびセラミック粉末８２によって吸収されて、発光管２に到達することがない。また、この保護機能については蛍光体層６のないアパーチャ７部分でも全く同様であって、即ち、発光管２の全周において、１５０ｎｍ程度の短波長紫外光は保護層８によって吸収されて発光管２に到着することがない。
そのため、アパーチャ７部を含めて発光管２は、前記短波長紫外光による劣化を招くことがない。

図４は、本発明の製造工程を説明するフローチャートである。
（１）発光管を構成するための石英ガラス管を洗浄。
（２）発光管に金属ペーストを印刷により塗布して電極を形成。
（３）保護層を構成するガラス粉末及びセラミックス粉末を適宜のバインダ
と混合して、保護層用のペースト液を調製し、ガラス管の内面に塗布。
（４）ガラス管の内面の保護層用のペースト液を乾燥。
（５）外部電極及び保護層を塗布乾燥したガラス管を焼成。
（６）所定の蛍光体とバインダとを混合し、蛍光体スラリー液を調製し、
該蛍光体スラリー液をガラス管内面の保護層上に塗布。
（７）ガラス管の内面の蛍光体層用のスラリー液を乾燥。
（８）ガラス管を昇温、焼成して、蛍光体を焼成すると共に、保護層を
介して発光管に固着。
（９）ガラス管の端部を封止して発光管を形成。
（１０）発光管内を排気し、所定の希ガス（キセノンガス、又はキセ
ノンガスの混合ガス）を封入。

なお、上記工程において、アパーチャを形成するには、工程６の蛍光体スラリー液を塗布する段階でマスキングしたり、工程７の乾燥後に剥離除去したりすることで、アパーチャを形成する。
このようにして、放電ガスが封入され、外部電極、蛍光体層、保護層が形成された発光管が完成する。

以下、本発明の実施例を、図１を参照して説明する。
＜実施例１＞
［ランプ仕様］
発光管：外径φ１０ｍｍ、内径φ９ｍｍ、全長４５０ｍｍ
材料溶融石英ガラス
外部電極：銀及びフリットガラス
印刷、焼成により、幅８ｍｍ、長さ４００ｍｍとして形成。
保護層：ガラス粉末Ｓｉ−Ｂ−Ｏ系ホウ珪酸ガラス
セラミック粉末 α−アルミナ
ガラスの割合は３〜３０％（重量換算）
蛍光体層：ＹＰＯ_４：Ｎｄ（Ｙ−Ｐ−Ｏ：Ｎｄ）
（ネオジム付活リン酸イットリウム蛍光体）

保護層を構成するガラス粉末とセラミック粉末を混合、調製して、保護層用ペースト液を作製した。
このペーストを外部電極が形成されたガラス管にスクリーン印刷により塗布し、乾燥を行った。
該保護層用ペーストの乾燥後、ガラス管を６００〜７００℃で１時間保持することにより焼成した。焼成後は、ガラスが適度に溶融し、ガラス粉末がセラミック粉末とともに発光管の内表面に溶着した状態で固定されていることが確認された。
続いて、保護層が形成された状態のガラス管の内表面上に蛍光体スラリーを吸い上げ、自然落下法によって塗布した。蛍光体スラリーを乾燥させ、アパーチャを形成した後、５００〜６００℃で１時間加熱することにより蛍光体を焼成して蛍光体層を形成した。ガラス管の片端部を封止して希ガス（Ｘｅガス）を静圧で１３ｋＰａ（１００Ｔｏｒｒ）封入し、ガラス管の他端も気密封止して、発光管を製作した。
上記実施例の手順で得られた発光管に給電部材を取り付けて、アパーチャを有する実施例１に係る希ガス蛍光ランプを作製した。

＜実施例２＞
上記実施例１とは、保護層に混合するセラミック粉末の材質をフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）に変えたことを除いては、同仕様として実施例２に係る希ガス蛍光ランプ（アパーチャ有）を作製した。

＜比較例＞
上記実施例１とは、保護層として、セラミックを混合することなく、すなわちＳｉ−Ｂ−Ｏ系ホウ珪酸ガラスのみで構成したことを除いて、同仕様の希ガス蛍光ランプ（アパーチャ有）を作製して比較例とした。

上記の実施例１、２および比較例の照度維持率を測定した結果が図５に示されている。同グラフは、照度積算値維持率を示し、横軸は時間軸対数表示である。
この結果から、保護層内にセラミック粉末を混合させた本発明の実施例１および実施例２はいずれも、セラミック粉末を混合しない比較例に比べて、照度維持率が優れていることが実証された。

以上のように、本発明の希ガス蛍光ランプでは、発光管と、アパーチャを有する蛍光体層の間に、該発光管の全内面にガラス粉末とセラミック粉末とを含有する保護層が形成されており、前記ガラス粉末は、前記発光管を構成する石英ガラスよりも軟化点が低いガラスの粉末よりなり、前記セラミック粉末は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては透過性を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては透過性を有しないセラミックの粉末よりなるようにしたことにより、前記保護層は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては透過性を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては透過性を有しないものとしたことにより、より好ましくは、波長１７０ｎｍ以上の紫外光の全透過率が８０％以上で、波長１５０ｎｍ以下の紫外光の全透過率が８０％未満であることにより、発光管の特にアパーチャ部分で、所望の波長１７０ｎｍ〜２５０ｎｍの紫外光は、保護層中のセラミック粉末を透過して外部に放射され、一方、それより短波長の１５０ｎｍ程度の短波長紫外光は、ガラス粉末およびセラミック粉末によって吸収されて発光管に至ることがない。
そのため、特に、アパーチャ部分において発光管が短波長紫外光によって劣化することがなく、所望の紫外光の照度維持率が長期間に亘って良好なものとなるという効果を奏するものである。

１希ガス蛍光ランプ
２発光管（石英ガラス）
３、４外部電極
６蛍光体層
７アパーチャ
８保護層
８１ガラス粉末
８２セラミック粉末

Claims

一対の電極を具備し、キセノンガスが封入された石英ガラスからなる発光管と、該発光管の内面にアパーチャを除いて塗布形成され、前記キセノンガスの発光によって励起されて当該励起光の波長よりも長波長の紫外光を発生する蛍光体層とからなる希ガス蛍光ランプにおいて、
前記発光管と蛍光体層の間には、該発光管の全内面にガラス粉末とセラミック粉末とを含有する保護層が形成されており、
前記ガラス粉末は、前記発光管を構成する石英ガラスよりも軟化点が低いガラスの粉末よりなり、
前記保護層は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては透過性を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては透過性を有しない、
ことを特徴とする希ガス蛍光ランプ。
前記保護層は、波長１７０ｎｍ以上の紫外光に対しては、８０％以上の全透過率を有し、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対しては、８０％未満の全透過率であることを特徴とする請求項１に記載の希ガス蛍光ランプ。
前記セラミック粉末は、α−アルミナ、フッ化マグネシウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の希ガス蛍光ランプ。