JP4662778B2 - 電灯および蛍光灯 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光体のコーティングが付与されたランプ外囲器を有する低圧水銀蒸気ランプに関し、これはより一般的には蛍光灯として知られる。本発明は、より具体的には、製作中にランプに取り込まれた不純物の量が、ランプの作動中に減少するようなランプに関する。本ランプには、水銀消費を抑制する効果があり、光出力の持続性が向上し、ランプ点灯時のアークの安定性が向上する。

本願は、Ｃｈａｒｌｅｓ ＴｒｕｓｈｅｌｌとＬｉｖｉｕ Ｍａｇｅａｎによって２００１年１２月１４日に出願され、本願と同一の譲受人に譲渡された、「蛍光灯内のＵＶ反射ベースコートの不純物ゲッター」という、同時係属中の特許出願第１０／０１７，３６０号に関する。

低圧水銀蒸気ランプは、より一般的には蛍光灯として知られているが、これは、作動中のガス放電を維持するための水銀および希ガスが充填されたランプ外囲器を有する。ガス放電によって放射される放射線は、ほとんどが紫外（ＵＶ）スペクトル領域にあり、可視スペクトルに属するものは、わずかな量しかない。ランプ外囲器の内表面は、発光体のコーティングを有し、紫外線照射によって可視光が放射される。このコーティングには、しばしば蛍光体の混合物が使用される。

電力消費抑制のため、蛍光灯の利用は増大している。さらなる電力抑制のため、蛍光灯の効率を増大させることが要求されている。この効率は、発光効率と呼ばれ、ワット当たりのルーメン（ＬＰＷ）単位で示され、ランプへのエネルギー入力に対する有効な光出力を表す指標となる。

本願の発明者であるＣｈａｒｌｅｓ Ｔｒｕｓｈｅｌｌの米国特許第５，５５２，６６５号は、ランプ外囲器に発光層を付与した電灯に関するものであり、この電灯は、ランプ内で生じた紫外線が照射された際に、可視光を形成する。発光層の下にはアンダーコートが用いられている。前記特許の内容は、本願の参照文献として取り入れられている。そのようなアンダーコートは、現在の蛍光灯の共通の特徴となっているが、これは、酸化物粒子系の非発光材料のコート層であり、特に酸化アルミニウムであることが好ましく、光を放射する蛍光体の底部に設置される。そのようなアンダーコートまたはベースコートは、低コストでの光出力の増大、製造工程の簡略化、光出力の持続性の向上、およびガラス電球による水銀消費の抑制を目的として付与される。通常、そのような層は、極めて微細な粒子で構成されるため、結果的に表面積は大きくなる。残念ながら、粒子状ベースコートの表面積が大きいため、酸化アルミニウムの気体分子吸収能との複合作用により、不純物量は、通常の製作段階でランプ内に取り込まれる不純物量よりも多くなることが知られている。例えば、水分および二酸化炭素は、共通の揮発性蛍光灯不純物となるが、その量は、アンダーコートの表面積が大きい程、増大する。これらの不純物量が増加することによる一つの影響は、ランプ点灯直後のアークの不安定時間が増大することである。

また、蛍光灯に含まれる発光層をコーティングにより設置することが知られている。例えば：
Ｔａｍｕｒａらの日本特許出願第０３１７９２３８号（要約）には、蛍光体に０．０１乃至１．０％のＭｇＯを混合し、蛍光灯の製造時に層を形成する工程が示されており、これを用いて、製作後のランプに含まれるＣＯ_２およびＣＯ不純物がゲッター除去される。

Ｗａｔａｎａｂｅらの米国特許第５，６０４，３９６号には、金属アルコキシドのアルコール溶液（金属は、マグネシウムを含むいかなる金属であっても良い）を蛍光体の水溶液サスペンションに加える方法が示されており、アルコキシドを用いてコーティングが施工される。

アルコールの蒸発の際、アルコキシドは水酸化物に変化するが、ゾルゲル処理により、これは蛍光体表面に均質に析出する。水分を除去した後、水酸化物塗布蛍光体は、高温に保持される。しかしながら、金属アルコキシドで蛍光体をコーティングすることに関しては、いかなる具体的な利点も言及されていない。さらに、例えばアルミナのような酸化物ベースコートを利用して金属アルコキシドまたは金属酸化物で蛍光体をコーティングする方法では、ランプのアークの不安定時間の増大を解消したり、抑制したりすることはできない。

Ｃｈａｒｌｅｓ ＴｒｕｓｈｅｌｌとＬｉｖｉｕ Ｍａｇｅａｎによって２００１年１２月１４日に出願された、前記同時係属中の出願第１０／０１７，３６０号、「蛍光灯内のＵＶ反射ベースコートの不純物ゲッター」には、不純物の量を低下させる手段、およびアークの不安定時間の増大を解消し、あるいは少なくとも抑制するための技術が必要である。蛍光灯の不純物の影響は、粒子状非発光材料を有するアンダーコート層を提供することにより、解消される。この材料は、酸化アルミニウムと、ランプに含まれる不純物との間で不可逆反応の可能なゲッター材としての粒子状酸化物材料との焼結混合体から得られ、この焼結混合体は、表面に、できれば隣接層として、アルカリ土類金属または亜鉛の酸化物を有する、酸化アルミニウムであることが好ましく、このアルカリ土類金属または亜鉛の酸化物は、熱（焼結）処理中の反応によってその場形成される。例えば、アルカリ土類金属酸化物前駆体または酸化亜鉛前駆体、またはそれらの混合物の熱分解によって、アルカリ土類金属酸化物または酸化亜鉛またはその混合物が反応形成される。
米国特許第５，５５２，６６５号明細書 米国特許第５，６０４，３９６号明細書

酸化アルミニウム材料と、ランプ内に含まれる不純物との間で不可逆反応を生じ得る代替ゲッター材との焼結混合体から得られる、粒子状非発光体を有する前記アンダーコート層を付与した蛍光灯については、以前からニーズがある。

本発明の課題は、不純物量が少なく、不純物の影響によるアークの不安定性が実質的に解消された蛍光灯を提供することである。

本発明では、上述のおよび他の課題を解決するため、
内表面を有するランプ外囲器と、
該ランプ外囲器の内部の紫外線を発生する手段と、
前記ランプ外囲器の前記内表面に隣接する発光体の層であって、前記紫外線が照射された際に、可視光を発する発光体の層と、
前記ランプ外囲器の前記内表面と前記発光体の層との間にあるアンダーコート層であって、前記発光体の層を透過する紫外線を反射させて紫外線を前記発光体に戻し、前記発光体の可視光出力を増大させる、アンダーコート層と、
を有する電灯が提供され、
前記アンダーコート層は、粒子状非発光酸化物材料を有し、この材料は、酸化アルミニウム材料と、ランプ内に含まれる不純物との間で不可逆反応を生じ得るアルカリ土類金属ホウ酸塩ゲッター材との焼結混合体から得られる。

本発明のある実施例では、前記アンダーコート層は粒子状酸化物材料を有し、この材料は、表面に、好ましくは隣接層として、アルカリ土類金属ホウ酸塩が付与された酸化アルミニウムであることが好ましく、ホウ酸塩は、熱（焼結）処理中の反応によってその場形成される。例えば、アルカリ土類金属酸化物前駆体または酸化亜鉛前駆体、またはそれらの混合物の熱分解によって、アルカリ土類金属酸化物または酸化亜鉛またはその混合物が、前記酸化物ベースコート材料に反応形成される。

別の実施例では、アンダーコート層は、表面にアルカリ土類金属ホウ酸塩の隣接層が付与されたアルミナを有し、このアルカリ土類金属ホウ酸塩は、アルカリ土類金属のピロホウ酸塩前駆体の熱分解によって、熱（焼結）処理中にその場形成される。このように、酸化物ベースコート材料の表面積が大きくなり、アークの不安定性に一定の影響を及ぼすこの領域を、前記不可逆反応の反応場として機能させることができるという利点が得られる。

適当なゲッター材としては、アルカリ土類金属ホウ酸塩があり、これはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムのホウ酸塩およびその混合物を含み、これらの塩は、酸化アルミニウムベースコート材料の水溶液サスペンション中に、可溶性化合物として添加される前駆体化合物、またはそのような化合物の混合物の熱（焼結）処理中にその場形成される。本発明の目的のゲッター化合物として、ピロホウ酸マグネシウムを形成する混合物を利用することは、特に好ましい。

適当な前駆体として、いかなるアルカリ土類金属化合物またはその混合物を用いても良く、熱処理中に、アルカリ土類金属ホウ酸塩またはそのような材料の混合物が、酸化物ベースコート表面に反応形成される。ここでの使用に適するそのような前駆体の具体例は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムのクエン酸塩、酢酸塩、硝酸塩等である。好適なゲッター材は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびそれらの混合物のピロホウ酸塩であり、例えば、酸化物ベースコート材のサスペンションに、可溶性化合物としてホウ酸またはホウ酸アンモニウムおよび硝酸カルシウムを添加して形成される。

図１には蛍光灯の透視図を示す。図の一部は断面で、また一部は透視図で示されている。蛍光灯は、本発明のゲッター材を有するアンダーコートを有する。本発明は、以下の実施例の説明を参照することにより、さらに理解することができる。

図１を参照すると、低圧水銀蒸気放電ランプまたは蛍光灯１は、細長い外部外囲器または電球３を有する。ランプは、両端に従来型の電極構造部５を有し、電極構造部は、マウントステム１０のガラス密封シール１１を介して延びるリード線７および９に保持されたフィラメント６を有する。電極構造部５は、本発明の本質ではないため、放電空間において放電を発生、維持する他のランプ作動用の構造を用いても良い。例えば、放電空間の外側に設置したコイルを用いて、放電空間に交流磁場を発生させて、放電を発生、維持しても良い。

図１に示すランプでは、リード線７、９は、ランプ１の端部の反対側に固定された、それぞれの基部１２のピン型接続部１３に接続される。放電持続充填材は、アルゴン、またはアルゴンと他の気体の混合ガスのような不活性ガスを有し、低圧下での少量の水銀との相互作用により、ランプ作動時のアーク放電が維持される。外部外囲器３の内表面１５には、以下の方法により形成されるアルカリ土類金属ホウ酸塩の隣接層でコーティングされた非蛍光体として、酸化アルミニウムのアンダーコート１６が付与される。

硝酸カルシウム溶液に、ホウ酸またはホウ酸アンモニウムを加える。ホウ酸塩形成部（ホウ酸またはホウ酸アンモニウム）と、アルカリ土類金属硝酸塩（硝酸カルシウム）は、アルカリ土類金属の各モル数に対するホウ素のモル数が約４となるモル比で含まれることが好ましい。このように形成されるアルカリ土類金属のピロホウ酸塩からは、本発明によるアークの不安定性の解消に特に有意なホウ酸塩が形成される。形成された個々のホウ酸塩は、焼結中の溶融、熱分解により、ピロホウ酸塩を優先的に形成する。従って、アルカリ土類金属硝酸塩または他の可溶性塩の混合物を用いることで、十分に低い熱分解温度でも、所望の組成を有意に得ることができる。上述の組成から形成されるアルカリ土類金属のピロホウ酸塩の場合、ランプから不純物を除去するゲッター材としてのホウ酸塩は、酸化アルミニウムの重量に対し、約１から約３ｗｔ％となる。

ベースコート層１６の焼結後に得られるホウ酸塩ゲッター材は、水にはほとんど溶けない。この場合、蛍光体の水溶液サスペンションを利用して、非発光ベースコート全体に直接、蛍光体層１７を形成することが可能となる。この層は、乾燥後、ランプが形成される前に再度焼結される。

蛍光体コーティング１７は、アンダーコート１６全体に設置される。両コーティングは、電球の全長にわたって、電球内壁の周囲全体に設置される。

アンダーコート層は、有機溶媒または水溶液系サスペンションから成形しても良く、これらには、非発光酸化物アンダーコートの各種特性に実質的に影響を及ぼさない各種成分が添加される。サスペンションは、従来技術により清浄な蛍光管の内壁に設置され、その後、従来技術により熱処理または焼結される。

次に電球は、従来技術により熱処理されて、ランプに仕上げられる。

水銀消費をさらに抑制するため、ガラスマウントステムと密封シールに、酸化アルミニウムのアンダーコート層をコーティングしても良く、これによりガラスマウントステムと密封シールに捕捉される水銀量が低減する。

本発明は、アルカリ土類金属ホウ酸塩、特に熱処理中の前駆体の熱分解によって、酸化アルミニウムの反射アンダーコートに取り込まれたアルカリ土類金属ホウ酸塩が、製作段階でランプに取り込まれた不純物を効果的に減少させ、あるいは除去し、またランプ点灯直後のアークの不安定時間を短縮したり、不安定性を解消することができるという発見に基づくものである。

硝酸カルシウムおよびホウ酸を含む約０．５乃至１．０グラムの市販の酸化アルミニウムを使用して、４フィート長さ、１インチ径の３２Ｔ８シリーズの蛍光灯で、本発明の実証を行った。この場合、酸化アルミニウムの重量に対して、約１乃至３％のピロホウ酸塩カルシウムが形成されると試算された。

代表的なランプとして、アンダーコート層１６が粒子状酸化アルミニウムを有するように製作した。アンダーコート層は、表面にアルカリ土類金属ホウ酸塩またはリン酸塩の隣接層が付与された酸化アルミニウムを有するものである。アルミナは、ホウ酸と硝酸バリウムが添加された水溶液系の溶液に懸濁させた。この溶液をランプ管または外囲器３に流し、溶液を外囲器の内表面１５全体に通し、他の端部から排出させた。付着させた溶液は乾燥室で乾燥させた。蛍光物質のコーティング１７を同様の方法で設置した後、これを一定時間焼結または熱処理した。

いくつかの他のランプを同じ手順で製作した。ただしこの場合、いかなるホウ酸塩添加物またはホウ酸塩前駆体添加物も用いていない。これらのランプには、アルミナＵＶ反射ベースコートのみを適用した。そのようなランプ構造のアークは、点灯後、特に不安定なためである。全てのランプは、製作後３ヶ月間点灯させずに室温で保管し、アークの不安定性の相対評価を行った。その結果、本発明のランプでは、ランプ点灯後のアークの不安定性は、事実上解消されることがわかった。一方、そのような工程と処理を行わなかったランプでは、実際にランプ点灯後にアークの不安定時間が認められた。

本発明への利用に適した蛍光体は、所望の最終ランプ特性に応じて変更しても良い。例えば４１００Ｋ蛍光灯、すなわち色温度がケルビン温度で約４１００Ｋの蛍光灯の場合、蛍光体コーティング１７は、通常、３種類の蛍光体混合物で構成される。通常、蛍光体混合物は、Ｅｕで活性化された青色発光バリウムマグネシウムアルミネート（ＢＡＭ）と、Ｅｕ活性赤色発光イットリウム酸化物（ＹＯＸ）、すなわちＹ_２Ｏ_３：Ｅｕと、通常、セリウムおよびテルビウムで活性化された緑色発光リン酸ランタン（ＬＡＰ）とで構成される。

４１００Ｋランプの３種類の蛍光体混合物は、ガラス外囲器３を水銀から保護するアルミナアンダーコート１６と協働して、ランプ１の水銀消費を低下させる。

ゲッター化合物の薄膜層は、対象不純物のゲッター除去の際に効果を発揮するため、バルク材料の光学特性の変化は、有効に抑えられる。本発明は、蛍光灯の全てのＵＶ反射ベースコートに有益であることが示されている。

理論的に明らかになるまでには至っていないが、実験データは、従来のランプでは、ある閾値濃度を超える不純物がランプ完成品に含まれると、アークの不安定時間は著しく長くなり、また不純物がこの閾値以下となると、アークの不安定時間は著しく短くなり、ほとんどの場合、アークの不安定時間は実質的に消滅することを示している。従って本発明による対策では、ＵＶ反射ベースコートによって得られる表面積増大の利点によって、コンタミネーションの原因となる不純物量が低下する。ランプに含まれる水分の大部分は、ランプ製作中にホウ酸塩ゲッター材と反応すると考えられる。その結果、ランプ完成段階では、粒子状酸化アルミニウムに物理吸着する水分量は、アークの不安定性に影響を及ぼさない量にまで低下すると予想される。

本発明の特定の部分について詳しく説明したが、本発明の観念および範囲内で、多くの変更が可能であることに留意する必要がある。添付の特許請求の範囲の解釈の際には、
ａ）「有する」という言葉は、請求項に記載された素子以外のものの存在を否定するものではないこと、
ｂ）「からなる」という言葉は、請求項に記載された素子以外のものは含まないこと、
ｃ）素子の前の「一つの」という言葉は、そのような素子が複数存在することを否定するものではないこと、
ｄ）請求項内のいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものではないこと、
を理解する必要がある。

蛍光灯の透視図である。

Claims (15)

1. ａ）内表面を有するランプ外囲器と、
   ｂ）該ランプ外囲器の内部の、紫外線を発生する手段と、
   ｃ）前記ランプ外囲器の前記内表面に隣接する発光体の層であって、前記紫外線が照射された際に、可視光を発する発光体の層と、
   ｄ）前記ランプ外囲器の前記内表面と前記発光体の層との間にあるベースコート層であって、前記発光体の層を透過した紫外線を反射させて該紫外線を前記発光体に戻し、前記発光体の可視光出力を増大させる、ベースコート層と、
   を有する電灯であって、
   前記ベースコート層は、粒子状非発光酸化物材料を有し、該粒子状非発光酸化物材料の表面には、当該電灯に含まれる不純物と反応するゲッター材が付与され、前記ゲッター材は、マグネシウムのピロホウ酸塩を有することを特徴とする、電灯。
2. 前記ゲッター材は、熱処理中にゲッター前駆体の熱分解により形成されることを特徴とする請求項１に記載の電灯。
3. 前記ベースコート層は、アルカリ土類金属ホウ酸塩またはその混合物の隣接層が付与された粒子状酸化アルミニウムを有し、前記隣接層は、アルカリ土類金属ホウ酸塩ゲッター化合物の前駆体を有効量加えた、前記粒子状酸化アルミニウムの熱処理によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の電灯。
4. 前記ベースコート層は、当該電灯の製作工程において、前記外囲器を密封する直前に焼結されることを特徴とする請求項３に記載の電灯。
5. 前記隣接層は、酸化アルミニウム水溶液サスペンション中の、アルカリ土類金属ホウ酸塩またはその混合物の可溶性前駆体化合物から得られることを特徴とする請求項３に記載の電灯。
6. ａ）内表面を有するランプ外囲器と、
   ｂ）該ランプ外囲器の内部の、紫外線を発生する手段と、
   ｃ）前記ランプ外囲器の前記内表面に隣接する発光体の層であって、前記紫外線が照射された際に、可視光を発する発光体の層と、
   ｄ）前記ランプ外囲器の前記内表面と前記発光体の層との間にあるベースコート層であって、前記発光体の層を透過した紫外線を反射させて該紫外線を前記発光体に戻し、前記発光体の可視光出力を増大させる、ベースコート層と、
   を有する電灯であって、
   前記ベースコート層は、粒子状非発光酸化物材料を有し、該粒子状非発光酸化物材料の表面には、当該電灯に含まれる不純物と反応するゲッター材が付与され、前記ゲッター材は、アルカリ土類金属ホウ酸塩またはその混合物を有し、
   前記ベースコート層は、アルカリ土類金属ホウ酸塩またはその混合物の隣接層を有する粒子状アルミナ酸化物を有し、前記隣接層は、アルカリ土類金属ホウ酸塩ゲッター化合物の前駆体を有効量加えた、前記粒子状酸化アルミニウムの熱処理によって形成され、
   前記ゲッター材は、マグネシウムのピロホウ酸塩を有することを特徴とする、電灯。
7. 前記発光体の層は、ハロリン酸塩蛍光体を有することを特徴とする請求項６に記載の電灯。
8. 前記紫外線を発生する手段は、前記ランプ外囲器の内部に配置され、前記ランプ外囲器は、イオン化材料と希ガスの充填材、および１組の放電電極を有し、ランプの作動中、前記１組の放電電極間には、放電が生じることを特徴とする請求項１に記載の電灯。
9. 前記紫外線を発生する手段は、前記ランプ外囲器の内部に、イオン化材料と希ガスの充填材、および１組の放電電極を有し、各電極は、前記放電管の各密封端に隣接することを特徴とする請求項１に記載の電灯。
10. 低圧水銀蒸気の蛍光灯であって、
    ａ）対向する密封端と、管状内表面とを有する管状光透過性ランプ外囲器と、
    ｂ）水銀および希ガスの充填材と、
    ｃ）各々が前記ランプ外囲器の各密封端に設置された、１組の放電電極と、
    ｄ）前記放電電極を前記ランプ外囲器の外側の電位源に接続する手段であって、ランプ作動中、前記放電電極間でガス放電が維持され、該ガス放電により紫外線が放射される、手段と、
    ｅ）前記ランプ外囲器の前記内表面に設置された第１の層であって、該第１の層は、光透過性紫外線反射層を有し、前記第１の層は、酸化アルミニウム材料と、当該蛍光灯に含まれる不純物と反応するゲッター材との焼結混合体を有し、前記ゲッター材は、マグネシウムのピロホウ酸塩を有する、第１の層と、
    ｆ）前記第１の層上に設置された、発光体からなる第２の層と、
    を有する低圧水銀蒸気の蛍光灯。
11. 前記第１の層は、アルカリ土類金属ホウ酸塩またはその混合物の隣接層を有する粒子状酸化アルミニウムを有し、前記隣接層は、アルカリ土類金属ホウ酸塩の前駆体化合物を有効量加えた、前記粒子状酸化アルミニウム材料の熱処理によって形成されることを特徴とする請求項１０に記載の蛍光灯。
12. 前記第１の層は、当該蛍光灯の製作段階において、前記外囲器を密封する直前に焼結されることを特徴とする請求項１０に記載の蛍光灯。
13. 前記焼結混合体は、酸化アルミニウム水溶液サスペンション中の、アルカリ土類金属の可溶性ホウ酸塩前駆体またはその混合物から得られることを特徴とする請求項１２に記載の蛍光灯。
14. ａ）内表面を有するランプ外囲器と、
    ｂ）該ランプ外囲器の内部の、紫外線を発生する手段と、
    ｃ）前記ランプ外囲器の前記内表面に隣接する発光体の層であって、前記紫外線が照射された際に、可視光を発する発光体の層と、
    ｄ）前記ランプ外囲器の前記内表面と前記発光体の層との間にあるベースコート層であって、前記発光体の層を透過した紫外線を反射させて紫外線を前記発光体に戻し、前記発光体の可視光出力を増大させる、ベースコート層と、
    を有する電灯であって、
    前記ベースコート層は、粒子状非発光酸化物材料を有し、該粒子状非発光酸化物材料の表面には、ゲッター材が付与され、前記ゲッター材は、マグネシウムのピロホウ酸塩を有し、当該ランプの点灯後のアークの不安定性が実質的に解消される程度まで、前記ゲッター材は、当該電灯に含まれる不純物と反応し得ることを特徴とする電灯。
15. 前記ベースコートは、硝酸カルシウムとホウ酸を含む、０．５から１．０グラムの酸化アルミニウムを有する材料で構成され、計算上、前記ゲッター材として、酸化アルミニウムの重量に対して１から３％のピロホウ酸カルシウムが形成されることを特徴とする請求項１４に記載の電灯。

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