JP2013516730A - 誘電体バリア放電ランプ - Google Patents

Abstract

本発明は、誘電体バリア放電ランプ及び斯様なランプを製造するための方法に関する。
誘電体カバー２２をもつ長尺電極２０が、筺体１６の内部空間１８に突出するように設けられる。電極２０は、筺体の第１の端部２６に形成されたピンチシール２８により筺体１６に取り付けられる。ガス充填物は、誘電体バリア放電が内部空間において励起され得るように、内部空間１８内に設けられる。

Description

本発明は、ランプの分野に関し、より詳細には、誘電体バリア放電ランプ及び斯様なランプを製造する方法に関する。

誘電体バリア放電ランプにおいては、絶縁誘電体バリアにより分離された２つの電極間にガスが設けられる。高電圧交流電流をこれらの電極に印加することにより、光を生成する放電が形成される。キセノンガスを充填する場合において、生成された光は、約１７２ｎｍでＶＵＶ放射線の大きな強度を有する。ＶＵＶ光を他の波長に変換するために誘電体放電ランプ上に蛍光体を設けることが知られている。ＵＶ放射線を生成する誘電体バリア放電ランプは、多くの場合、水のような液体を処理及び殺菌するために用いられる。

米国特許出願公開第２００４／０１８３４６７号明細書は、直線状導体トラックとして形成され、半田ガラスで作られた誘電体バリアによりカバーされた、２つの正反対に設けられた内部電極を内壁に備えた放電チューブをもつ長尺誘電体バリア放電ランプを開示している。製造において、第１の端部で最初に開口し他端で閉鎖するソーダ石灰ガラスの放電チューブが用いられる。これらの電極はチューブ内に設けられる。排出チューブは、後につまむことにより閉鎖される開口端部に設けられる一方で、排出チューブは、依然として最初の開口状態のままである。そして、ランプは、空にされ、最終的に溶融されて閉鎖される排出チューブを介して放電媒体としてのキセノンで満たされる。オプション的に、放電管の壁に蛍光体が少なくとも部分的に設けられることが可能である。

本発明の目的は、製造が容易な誘電体バリア放電ランプを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載のランプ及び請求項１０に記載の方法により達成される。従属請求項は、本発明の好ましい実施形態に言及する。

本発明の誘電体バリア放電ランプにおいては、第１の端部及び内部空間を有する筺体が存在する。内部空間は、規定された圧力のガス充填物で満たされ、従って、筺体は、ガス密の状態で封止される必要がある。光を放射するためのランプに関して、筺体は、更に、生成された光の少なくとも一スペクトル部分に対して少なくとも部分的に透過的であるだろう。好ましい実施形態において、筺体は、石英ガラスであり、ガス充填物は、希ガス、最も好ましくはキセノンであり得る。

誘電体カバーをもつ長尺電極が内部空間に設けられる。電極は内部空間内に突出する。即ち、電極は、筺体の壁に設けられるものではないが、その最も大きな部分が筺体から離れて設けられるように突出する。好ましくは金属から作られる導電性電極は、例えばガラス又はAl₂O₃のようなセラミック材料であり得る誘電体材料により好ましくは完全にカバーされる。電極は、長尺形状である。即ち、電極の長さは、その幅よりも長くなり、好ましくは少なくとも５倍、より好ましくは２０倍である。

電極は、筺体の第１の端部で、少なくともピンチシールにより筺体に取り付けられる。ピンチシールは、軟化状態において筺体の金属の両側部分を挟むことにより提供され、これにより、長尺電極の一部を少なくとも部分的に囲み、これを筺体に取り付ける。

斯様なピンチシールは、長尺の筺体（即ち、幅の２倍よりも大きい長さ、好ましくは、幅の５倍よりも大きい長さ）の好ましい場合において特に有利である。電極は、ピンチシールによりしっかりと保持され得る。同時に、内部空間は、予め決められた圧力でガス充填物を供給するための囲まれた内部空間を得るために効果的に封止され得る（後述されるように、前記の封止は、製造プロセスの第１のステージにおいては不完全であってもよく、１又はそれ以上のチャンネルを出る）。特に、筺体材料としての石英ガラスの場合においては、ピンチシールの提供は、信頼性があり依然として簡素な製造ステップである。

電極は、好ましくはピンチシールでのみ筺体と直接接触するように設けられる。電極は、それぞれの場合において電極と筺体との間の実質的に一定の距離が維持されるように、筺体の壁と平行に延在することが更に好ましい。例えば機械的な安定性のために必要な場合には、好ましくは電気的に絶縁された、電極用の他の機械的固定具を設けることが可能である。

本発明の好ましい実施形態において、ランプは、筺体の内面の少なくとも一部に設けられた蛍光体コーティングをもつ。蛍光体コーティングは、内部空間内に生成された放電からの一次光により刺激された場合に異なる波長の二次光を放射する任意の材料である。例えば、ＶＵＶ放射線を放射する、キセノン充填物における誘電体バリア放電の放射線は、水を殺菌するような特定のタスクに良く適したＵＶ−C放射線のような、異なる波長ＵＶ放射線に変換され得る。概して、蛍光体材料は、光学的活性材料を添加したホスト格子を有する。蛍光体材料は、乾いたときにコーティングとして塗布され得るように、懸濁液で設けられ得る。

蛍光体コーティングは、好ましくは、筺体の内面の少なくも大部分（即ち、少なくとも５０％、好ましくは８０％よりも多く）に設けられる。加えて、ランプの他の部分上に、特に好ましくは電極の誘電体カバー上に、蛍光体コーティングを設けることが可能である。

蛍光体コーティング及びピンチシールをもつ誘電体バリア放電ランプの製造に関して、発明者らは、多くの蛍光体の組成が、石英のような共通に用いられた筺体材料内にピンチシールを形成するのに必要な高い温度に耐えるものではないことを認識した。それ故、少なくともピンチシールの近くの領域における蛍光体コーティングの分解を回避するためにピンチシールを形成した後にのみ蛍光体コーティングを設けることが有利である。内部空間に蛍光体を取り込むことを依然として可能とするために、本発明の好ましい実施形態によれば、ピンチシールを設けたときに少なくとも１つのチャンネル（好ましくは２つのチャンネル）が形成されるようにピンチシールを設けることが提案される。これらのチャンネルは、流体状態の蛍光体材料が容易に取り込まれ得るように、内部空間を外部と接続させる。

後に閉鎖される、例えば溶融して閉鎖される、例えば好ましくは両端に設けられた排出チューブのような筺体内の少なくとも１つの他の開口部が存在してもよいことが留意されるべきである。ピンチシール内に形成された１又はそれ以上のチャンネルを介して蛍光体を取り込むことが好ましい一方で、他の開口部を介して、及び、排出としてピンチシールチャンネルを用いて、蛍光体材料を取り込むことが同等に可能であり得る。発明者らは、内部空間内の流体蛍光体材料の良好な分布が、内部空間から排出される含有エアを空にするための、反対端部の排出チューブのような離れた開口部を用いながら、ピンチシールされた第１の端部に設けられた２つのチャンネルを介して材料を取り込むことにより実現されることを見出した。

他の実施形態によれば、（乾燥ガスを取り込むことによる）乾燥及び（クリーニング流体を介しての）オプション的なクリーニングは、チャンネルを用いて行われてもよく、ここで、乾燥ガス及び／又はクリーニング流体は、内部空間への通路又は内部空間からの通路のいずれかである、チャンネルの少なくとも１つを通る。

蛍光体コーティングが設けられ（並びに、オプション的に、クリーニング及び乾燥のような更なるステップが行われ）た後、チャンネル（又は全てのチャンネル）は、ガス密バリアにより閉鎖される。斯様なガス密バリアは、筺体の例えばセメント又は鋳造された材料のような任意のタイプのものであり得るが、好ましくはこれらのチャンネルに設けられた他の（より小さな）ピンチシールとして設けられる。これらのチャンネルは、筺体の第１の端部よりも必然的に小さくなるので、ピンチシールによるこれらの閉鎖は、制限された量の熱しか必要とせず、これにより蛍光体層は著しく分解されない。

従って、誘電体放電ランプは、蛍光体コーティングを備え、ピンチシールにおいて、最終製品においてガス密バリアにより閉鎖される１又はそれ以上のチャンネルが設けられる。

本発明の更に好ましい実施形態は電極に関する。概して、電極は、伝導性要素及び誘電体カバーを有する。好ましい実施形態において、電極は、（石英又はセラミックス、例えばAl₂O₃のような）誘電体材料から作られたチューブとして設けられる。チューブ内において、金属電極が設けられる。

一実施形態によれば、電極は、チューブ内に充填された金属粒子として設けられる。他の実施形態によれば、電極は、化学的手法において塗布された金属層、例えば銀層を有するか、又は、代わりに、ＨＦフィールド内の金属ワイヤを壁にスパッタリングすることにより形成される。更に他の実施形態において、電極は、チューブ内に設けられた金属ワイヤ又はロッドを有する。これは、（例えばレーザ彫刻により作られ得る）表面上に多くの突起物をもつ。突起物は、チューブ材料としっかり接触する一方で、ロッド又はワイヤは、伝導性リードとして機能する。

本発明のこれらの及び他の態様は、後述される実施形態から明らかになりこれらの実施形態を参照して説明されるだろう。

水容器内に設けられた本発明の第１の実施形態によるランプの部分的な象徴的な図を示す。 異なるステップで図１のランプを製造するために用いられる石英チューブの側面図を示す。 図２ａ，２ｂの平面Ａ−Ａで得られる部分による、異なる製造ステップにおける図２ａ，２ｂの石英チューブの断面図を示す。 図１のランプ用の電極の異なる実施形態を示す。

図１は、容器１４内の水１２を処理するためのデバイスで使用されるＵＶ生成ランプ１０を示している。ランプ１０は、内部空間１８を囲む石英チューブ１６により形成された外側筺体をもつ誘電体バリア放電ランプである。誘電体カバー２２により囲まれた中心電極２０が、石英ガラスチューブ１６内の中央に設けられる。

充填ガスは、ランプ１０の内部空間１８内に設けられる。好ましい実施形態において、充填ガスは、例えば３００ｍｂａｒの圧力のキセノンである。ランプ１０の動作において、電源２４は、交流電圧を電極２０と第２の電極として機能する周囲の水１２に供給する。第２の電極（水１２）及び第１の電極２０の双方は、誘電体バリア（誘電体カバー２２及びガラスチューブ１６の壁）によりキセノン充填物から分離される。誘電体バリア放電は、ＵＶ光を生成する内部空間１８のガス充填物において励起される。ＵＶ光により、水１２は、照射されて殺菌される。

放射されたＵＶ光のスペクトル組成は、充填ガスに依存し、ランプの筺体１６をコーティングする蛍光体によっても影響を受け得る。キセノン充填物の場合において、１７２ｎｍで最大強度をもつＶＵＶ放射線が生成される。蛍光体材料は、筺体１６上に設けられ、これは、例えばＵＶ−Ｃレンジにおける異なる波長の光を生成するために、ＶＵＶ放射線により励起される。

異なる蛍光体材料は、ランプ１０から放射された二次光の所望のスペクトル組成を得るために、当業者により知られているか又は設計され得る。

蛍光体材料の例は、米国特許第６，３９８，９７０号明細書及び米国特許第７，２９８，０７７号明細書において与えられている。そこで説明されたように、好ましい蛍光体は、ホスト格子において活性化因子を有する。材料の特定の選択により、二次光の異なる波長が得られ得る。

蛍光体材料は、フローコーティングプロセスにより石英チューブ１６に塗布され得る。蛍光体材料は、微粒子粉末として与えられてもよく、フローコーティング用のコーティング懸濁液は、水又は有機化合物のような溶剤を更に有してもよい。有機又は無機バインダのような他の助剤、安定剤又は液化剤が追加されてもよい。懸濁液及び懸濁液用の他の化学物質の例は、米国特許第６，３９８，９７０号明細書及び米国特許第７，２９８，０７７号明細書において与えられている。

石英チューブ１６をコーティングする蛍光体を形成することに関して、それ故に準備された懸濁液が石英チューブ１６に塗布されて乾燥される。

斯様なコーティングは、石英チューブ１６の外側に形成され得る一方で、以下で説明されるように、これを内部に設けることが好ましい。

ランプ１０は、フィンガーランプである、即ち、円筒状の長尺形状をもつ。直径の好ましい値は、１０−２５ｍｍ、特に１５−２０ｍｍである。電極２０の誘電体カバー２２の直径は、好ましくは３−５ｍｍであり、カバーの壁の厚さは、０．７−１ｍｍである。ランプ１０の全体長さは、好ましくは５０−２００ｍｍである。

電極２０及び誘電体カバー２２を有する中心指が、円筒状の筺体１６内の中心に設けられる。これは、第１の端部２６でのみ筺体１６に取り付けられ、ピンチシール２８が形成される。電極２０及びカバー２２は、石英チューブ１６の壁と電極２０との間の距離が基本的に一定になるように、ランプ１０の長手軸と平行に延在する。

以下において、ランプ１０の製造は、第１の実施形態に対する図２ａ，２ｂ，３ａ−３ｄに関して説明されるだろう。ここで、蛍光体層は、ピンチング動作の後に形成される。

最初に、適切な長さのガラスチューブ１６が設けられる（図２ａ）。ランプ１０の筺体１６になるガラスチューブは、好ましくは０．８−１．５ｍｍ、最も好ましくは１．０−１．２５ｍｍの壁の厚さをもつ。第２の端部３０（図１参照、図２ａ−３ｄには示されていない）が、開口排出チューブ３６を除いて閉鎖される一方で、金属伝導性電極２０及び誘電体カバー２２を有する電極フィンガーは、チューブ１６内の中心にある内部空間１８に取り込まれる。

電極フィンガー２０，２２は、第１の端部２６でピンチシール２８を形成することによりチューブ１６に固定される。石英材料は、軟化温度まで加熱される。そして、ピンチングブロックは、対向する壁部分が一緒にプレスされるように、チューブ１６の第１の端部２６を変形させ、電極フィンガー２０，２２を囲み、ピンチシール２８を形成する（図２ｂ，３ｂ）。

しかしながら、ピンチシール２８は、第１のチャンネル４０ａ及び第２のチャンネル４０ｂがチューブ１６の第１の端部２６で開口しているままとなるように形成される（図３ｂ）。

ピンチ２８を形成した後、蛍光体層３４が塗布される。排出チューブ３６（図１）は、第２の端部３０で開けられ、液体形式の蛍光体材料は、チャンネル４０ａ，４０ｂを介して内部空間１８に取り込まれる。蛍光体材料は、石英チューブ１６の壁の内側及び電極２０の誘電体カバー２２に付着する。チャンネル４０ａ，４０ｂ及び排出チューブ３６を介して乾燥ガスを通すことにより実現される乾燥の後、蛍光体材料は、蛍光体層３４を形成する（図３ｃ）。

蛍光体層を形成した後、チャンネル４０ａ，４０ｂは、より小さなピンチ３２を更に与えることにより封止される。石英チューブ１６は、より小さなピンチ３２を形成するために、第１の端部２６で局所的に加熱される。ピンチ３２の制限されたサイズにより、蛍光体層３４は、ピンチ３２を形成することによってそれほど深刻には分解されない。ランプは、その第１の端部２６で閉鎖される（図３ｄ）。

後のステップにおいて、内部空間１８が排出チューブ３６を介して空にされ、所望のガス充填物が取り込まれる。この後、排出チューブ３６が封止される。

以下において、金属電極２０及び誘電体コーティング２２からなる中心フィンガーを形成するための異なる方法が述べられるだろう。

第１の実施形態（図４ａ，４ｂ）において、後に誘電体カバーを形成する中空石英ガラスチューブ２２ａが設けられ、金属粒子４２及び伝導性ワイヤ４４で満たされる。チューブ２２ａは、セメント４６で閉鎖される。この手法において、誘電体（チューブ２２ａ）と密着した金属電極が設けられる。

第２の実施形態（図４ｂ）において、誘電体は、この場合も同様に、中空石英チューブ２２ａとして設けられる。銀の伝導性金属層は、中空石英フィンガー２２ａの内壁上に水中の例えばAgNO₃溶液から化学的手法で塗布され、それ故、内部に金属層４８を形成する。代替実施形態において、チューブ２２ａは、薄いタングステン層によりカバーされる、１．５−５ｍｍの内径及び０．３−０．５ｍｍの壁厚さをもつ、Al₂O₃のようなセラミック材料から作られ得る。セラミック材料及びタングステン層は、強力な接着を得るために共に焼結される。

図４ｂ，４ｃにおいて示されるように、それ故に誘電体チューブ２２ａ上に設けられた金属層４８は、例えば、チューブ内の圧力接触５０により（図４ｂ）、又は、はんだ付け、導電性接着若しくは導電性セメント５２により（図４ｃ）、異なる手法で導電性ワイヤ４４と接触され得る。

第３の実施形態において、タングステンワイヤロッド５６は、石英又は他の誘電体材料のチューブ２２ａに取り込まれる。ワイヤロッドは、表面上に突起５８をもち、これらは、レーザ彫刻により作られ、チューブ２２ａの誘電体材料と密着する。

第４の実施形態（図４ｅ）において、好ましくは１．０−１．５ｍｍの直径のモリブデン又はニオビウムの金属ワイヤ５８は、４０−５００μｍの範囲内の厚さのAl₂O₃層６０によりカバーされる。Al₂O₃層は、例えばＥＰＤ又はＣＶＤにより塗布され得る。それ故、Al₂O₃チューブは、モリブデン又はニオビウムワイヤとともに焼結されてもよい。

（図面では省略される）代替実施形態において、ピンチシール２８は、蛍光体層３４の塗布後に形成されてもよい。これは、ピンチング動作の温度にあまり敏感でない蛍光体材料が用いられる場合、又は、ピンチシール２８のエリアにおける蛍光体層の或る分解が許容され得る場合に当てはまり得る。この場合において、前述された製造プロセスは、蛍光体層３４を既に有するチューブ１６で開始してもよい。ここで、電極２０及び誘電体カバー２２を固定するピンチシール２８は、チューブ１６の第１の端部２６を完全に封止する態様、即ちチャンネルがこの代替実施形態において形成されない態様で与えられてもよい。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に示され述べられた一方で、斯様な図示及び説明は、例示又は単なる例であり、限定的ではないものと見なされるべきである。即ち、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。

前述された実施形態に対するバリエーションとして、充填ガスは、異なる組成を有してもよく、例えば、ランプの点火電圧を削減するために、イオン化エネルギが小さい追加の希ガスとのキセノンの混合物であってもよい。

更に、ガス充填物の圧力は、ランプ形状に依存して異なる値で選択されてもよい。ガス圧の好ましい値は、誘電体カバー２２と筺体１６との間の所与の距離に対してパッシェン（Paschen）曲線の右手側である。特に、１００−５００ｍｂａｒ間の圧力が好ましい。

更なるバリエーションとして、ランプ１０は、石英チューブ１６の外側に設けられた第２の電極を有してもよい。電極は、ランプ１０の筺体がＵＶ放射線に対して透過的なままになるような態様で設けられ得る。例えば、電極は、ワイヤ若しくはワイヤメッシュ、又はＩＴＯのような透過的で導電性である無機化合物であり得る。

開示された実施形態に対する他のバリエーションは、図面、開示及び特許請求の範囲の研究から、当業者により理解され実施され得る。請求項において、"有する"という用語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、単数表記は、複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に用いられ得ないことを示すものではない。請求項中の任意の参照符号は、その範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。

Claims (14)

1. 第１の端部及び内部空間を有する筺体と、
   前記内部空間内に設けられたガス充填物と、
   前記内部空間に突出するように設けられた誘電体カバーをもつ長尺電極とを備え、
   前記電極は、前記筺体の前記第１の端部で少なくともピンチシールにより前記筺体に取り付けられる、誘電体バリア放電ランプ。
2. 蛍光体コーティングが、前記筺体の内面の少なくとも一部に設けられ、
   前記ピンチシールにおいて、少なくとも１つのチャンネルが、前記第１の端部と前記内部空間との間に設けられ、
   前記チャンネルが、ガス密バリアにより閉鎖される、請求項１に記載の誘電体バリア放電ランプ。
3. ２つのチャンネルが前記第１の端部に設けられ、
   双方のチャンネルが、ガス密バリアにより閉鎖される、請求項２に記載の誘電体バリア放電ランプ。
4. 前記ガス密バリアは、ピンチシールにより形成される、請求項２又は請求項３に記載の誘電体バリア放電ランプ。
5. 前記蛍光体コーティングは、前記電極の前記誘電体カバーの少なくとも一部にも設けられる、請求項２〜４のうちいずれか一項に記載の誘電体バリア放電ランプ。
6. 前記電極は、前記誘電体カバーの材料から作られた中空チューブとして設けられる、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の誘電体バリア放電ランプ。
7. 前記電極は、前記チューブ内に充填された金属粒子として設けられる、請求項６に記載の誘電体バリア放電ランプ。
8. 前記電極は、前記チューブの内面に形成された金属層を有する、請求項６に記載の誘電体バリア放電ランプ。
9. 前記電極は、前記チューブ内に設けられた金属ワイヤを有し、
   突起が、前記金属ワイヤに設けられ、前記突起は、前記チューブと接触する、請求項６に記載の誘電体バリア放電ランプ。
10. 誘電体バリア放電ランプを製造する方法であって、
    第１の端部及び内部空間をもつ筺体を設けるステップと、
    前記内部空間に突出する誘電体カバーをもつ長尺電極を設けるステップと、
    前記筺体の前記第１の端部にピンチシールを設けることにより前記筺体に前記電極を取り付けるステップとを有する、方法。
11. 前記ピンチシールを設けるときに、少なくとも１つのチャンネルが、前記第１の端部と前記内部空間との間に形成され、
    蛍光体材料が、前記筺体の内面の少なくとも一部に蛍光体コーティングを形成するために前記内部空間に取り込まれ、
    前記蛍光体コーティングが設けられた後に、前記チャンネルが、ガス密バリアにより閉鎖される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ピンチシールは、前記第１の端部に２つのチャンネルを形成するように設けられ、
    前記蛍光体コーティングが設けられた後に、双方のチャンネルがガス密バリアにより閉鎖される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ガス密バリアは、ピンチシールにより形成される、請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
14. 前記蛍光体材料が前記内部空間に取り込まれた後に、乾燥ガスが、前記内部空間に取り込まれ、前記乾燥ガスは、前記チャンネルのうち少なくとも１つを通る、請求項１１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法。

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