JP5712588B2 - 蛍光ランプおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は蛍光ランプおよびその製造方法に関するものであり、特に、紫外光を放射する蛍光ランプおよびその製造方法に係わるものである。

近時、光触媒や、広義の樹脂硬化、除菌、美容、医療などの様々な分野で、波長３００ｎｍ付近の紫外光が利用されている。このような光の光源としては、波長２５０〜３８０ｎｍ近傍に強度ピークを有する蛍光体が発光管内面に塗布された蛍光ランプが使用される。
このような紫外光を放射する蛍光ランプにおいては、発光管内において放電によって比較的短波長、例えば２００ｎｍ以下、の紫外光を得て、この紫外光を蛍光体層に照射して該蛍光体を励起させ所定波長領域、例えば前記２５０〜３８０ｎｍ、の光に変換するものであって、こうして得られた所定波長領域の紫外光は、蛍光体層および発光管を透過して、外部に放射されるものであり、原理的には可視光を得る蛍光ランプと同様である。

ところで、紫外光を放射する蛍光ランプのなかでも、例えば前記した波長２５０〜３８０ｎｍ付近の比較的短波長の紫外光を放射する蛍光ランプにおいては、発光管を構成するガラスの材質によっては、該紫外光が吸収されてしまうことから、当該紫外光を効率よく放射させるためには発光管を石英ガラスで構成することが望ましい。
しかしながら、石英ガラスは軟化点が高いことから、蛍光体を石英ガラスからなる発光管に安定的に保持させることが難しいという問題がある。
そこで、例えば特開２０１０−０５６００７号公報（特許文献１）や特開２０１０−１５３０５４号公報（特許文献２）に開示される技術のように、石英ガラス上に薄い低融点のガラス層を形成して、蛍光体と石英ガラスとの密着性を高める技術が採用されている。
このうち、特許文献１に記載の技術は、蛍光体を塗布する前段階で発光管の内周面上に低融点ガラス粉末の薄い層を焼成・形成し、その後、蛍光体スラリーを塗布してこれを焼成する構造としたものである。この構造により、蛍光体の焼成温度を低く抑えることができて、石英ガラス製の発光管に安定的に保持させようとするものであり、図１０、図１１を参照して、この技術を説明する。

図１０は、従来技術にかかる蛍光ランプ２０を、管軸に対して垂直方向に切断した断面図であり、（Ａ）は全体断面図、（Ｂ）はそのＸ部の拡大断面図である。発光管２１は石英ガラスからなり、その内面上に低融点ガラス粉末の層２２が形成され、この上に蛍光体層２３が積層されて構成される。そして、発光管２１の外壁には対向する一対の外部電極２４、２４が設けられる。
このような蛍光ランプは、概ね図１１で示す製造工程のフローチャートの手順に従って作製される。
図１１に示すように、先ず、（１）ガラス粉末スラリー液を調製し、（２）これを石英ガラス管内面に塗布、乾燥する。（３）ガラス粉末層を石英ガラス管に定着させるために高温で焼成し、冷却する。この焼成の条件は約５００〜１０００℃であり、所定温度に到達したのち０．２〜１ｈ保持する。
次いで、（４）蛍光体スラリー液を調製し、（５）低融点ガラス粉末層を形成した石英ガラス管に塗布し、乾燥させる。その後、（６）焼成し、冷却する。この焼成温度は約５００〜８００℃であり、０．２〜１ｈ保持する。こうして、（７）発光管を形成した後、発光管内部を排気し希ガスなどの所定の封入物を封入し、封止する。そして、（８）発光管外部に電極を形成して、蛍光ランプが完成する。

このように、上記の技術においては、石英ガラス製の発光管内面に低融点ガラス層を形成する段階で発光管を高温に加熱する工程と、後続する蛍光体の焼成工程との併せて２回の加熱処理工程が必要となり、製造工程で大きな熱量と作業時間がかかってしまうという問題があった。

特開２０１０−０５６００７号公報 特開２０１０−１５３０５４号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、石英ガラスからなる発光管と、励起されることにより紫外光を放射する蛍光体層とを備えた蛍光ランプにおいて、製造時に焼成工程を減らして１回で済むようにして、製造にかかるコストおよび時間を低く抑えつつ、発光管に蛍光体層を強固に安定的に保持・形成することができる蛍光ランプの構造およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、上記課題を解決するために、発光管内面に形成する蛍光体層を、蛍光体粒子とシリカ粒子を含むものから構成したことを特徴とするものである。
また、前記蛍光体層に含まれるシリカ粒子は、平均粒径が１０〜１００ｎｍであり、前記蛍光体層に含まれる割合が２〜２０ｗｔ％であることを特徴とする。
更には、前記蛍光体層に含まれるシリカ粒子は、平均粒径が１０〜５０ｎｍであることを特徴とする。
また、本発明の紫外線を放射する蛍光ランプの製造方法は、蛍光体粒子とシリカ粒子と有機溶媒とを混合して蛍光体塗布液を調製する工程と、前記蛍光体塗布液を石英ガラスからなる管に塗布する工程と、前記蛍光体塗布液を乾燥させたのち後、蛍光体およびシリカ粒子を焼成する工程とを含むことを特徴とする。
また、前記蛍光体塗布液を調製する工程において、シランカップリング剤による表面処理を施したシリカ粒子を用いたことを特徴とする。

この発明の蛍光ランプによれば、蛍光体層が蛍光体粒子とシリカ粒子とから構成されているので、その製造工程において低融点ガラス層を形成するために加熱焼成する工程を経ることなく、蛍光体層を直接発光管に塗布し焼成するという一度の工程で、十分な結着性をもって発光管に安定的に付着させることができ、低熱量で生産性が良好な蛍光ランプを提供することができる。
そして、シリカ粒子の平均粒径が１０〜１００ｎｍであり、蛍光体層に含まれる割合が２〜２０ｗｔ％であることで、上記結着性の改善に加えて、シリカ粒子による紫外光の拡散を少なくでき、従来技術より以上の、或いはそれと同等程度の強度で紫外光を放射することができ、更に好ましくは、平均粒径を１０〜５０ｎｍとすることによって、従来技術以上の紫外光強度を得ることができる。
この発明の蛍光ランプの製造方法によれば、石英ガラスからなる発光管を備えた紫外光を放射する蛍光ランプにおいて、製造時に焼成工程を減らして１回で済むようにして、製造にかかるコストおよび時間を低く抑えつつ、発光管に蛍光体層を強固に安定的に保持・形成することができる。

本発明の蛍光ランプの全体斜視図。 図１の横断面図。 図２のＡ部の拡大断面図。 本発明の蛍光ランプの製造方法を示すフローチャート。 本発明の他の実施例の断面図。 図５のＢ部の拡大断面図。 本発明の効果を示す実験結果を表す表。 本発明の蛍光ランプの結着性を測定するための装置例。 本発明の蛍光ランプの紫外光の照度測定をするための装置例。 従来例の断面図。 従来例の製造方法を示すフローチャート。

図１は、本発明の蛍光ランプの全体を示す斜視図、図２はその横断面図、図３は図２のＡ部拡大断面図である。
図において、蛍光ランプ１は、略矩形箱状の放電空間を備えてなるものであり、石英ガラスなどの紫外光透過性を有する誘電体よりなる発光管２の上面と下面に一対の外部電極３、４を備えて構成されたものである。
発光管２内には、エキシマ放電用のガスが所定の封入量で封入され、例えば放電ガスとしてキセノンガスが１０〜７０ｋＰａ封入される。もちろん他の希ガスと混合してもよい。
発光管２における上面と下面に形成された電極３、４は、例えば、アルミニウム等の金属を、印刷、蒸着或いは箔状にして貼着して形成したものであり、放電空間内で生成された紫外光が透過できるよう、例えば網目状に構成されている。
なお、発光管２において光を放射しない側に形成される電極は、光透過性が不要であって、アルミテープなどのいわゆるベタ状電極であってもよいが、この例では製造上の簡便さから同図に示すように両方ともに透光性を備えるよう構成としている。

そして、発光管２内には蛍光体層５が形成されていて、図３に示すように、この蛍光体層５は、蛍光体粒子６中に、該蛍光体粒子７よりも粒子径の小さなシリカ粒子７を混入して製作したものであり、蛍光体粒子６の間隙にシリカ粒子７が充填された状態で蛍光体層が構成されている。
蛍光体層５の蛍光体粒子６相互の間隙にシリカ粒子７が充填されることで、該蛍光体粒子６相互の結着性が良くなり、蛍光体層５の強度が増すため、該蛍光体層５の剥離が抑制される。
ここで、蛍光体粒子６は一般に使用される蛍光体を使用することができ、粒径として一例を挙げると粒径が１〜２０μｍであり、平均粒径が２〜１０μｍである。
蛍光体層５に含まれるシリカ粒子７は、前記蛍光体粒子６よりも粒径が小さいものが使用され、例えば粒径が数ｎｍ〜２００ｎｍであり、平均粒径が１０〜１００ｎｍである。
なお、本明細書において、粒径とは粒子の一次粒子径であり、平均粒径とは、累積重量百分率が５０％となる粒径（すなわち、メディアン径）である。
なお、上記図２においては、蛍光体層５を発光管２の全内周面に形成したものを示したが、これに限られず、発光管２の周方向の一部において該蛍光体層５を形成せずに、その領域をアパーチャ部として該部分から紫外光を取り出す構成としてもよい。
また、発光管２の形状を断面扁平の４角形状としたが、これに限らず、例えば、断面円形状であってもよい。

前記シリカ粒子７の好ましい平均粒径の範囲としては１０〜１００ｎｍであり、蛍光体層５に含まれるシリカ粒子７の割合としては、２〜２０ｗｔ％の範囲であることが好ましい。この理由は次の通りである。まず、シリカ粒子７の割合を２ｗｔ％以上の範囲とすることで、従来の蛍光ランプ（低融点ガラス層を備えた蛍光ランプ）と比較した場合に蛍光体層５と発光管２の内壁との結着力を同等以上の蛍光ランプとすることができる。一方、シリカ粒子７の含有割合が多くなると、該シリカ粒子７による拡散反射の影響が大きくなって光取り出し部から放射される光が少なくなる傾向があるため、ランプとして実用的な効率を維持することができるよう２０ｗｔ％以下とすることが好ましい。
なお、紫外光の放射効率は、シリカの粒径（平均粒径）にも依存しており、これが大きくなり過ぎると光放射面において紫外線の出力効率が低下する傾向がある。そこで、更に好ましくは平均粒径として１０〜５０ｎｍのシリカ粒子を用いることで、従来の蛍光ランプ（低融点ガラス層を備えた蛍光ランプ）と比較した場合に同等以上の紫外光の放射効率を実現することができるようになる。

この発明の蛍光ランプの製造方法を図４に示すフローチャートにより説明する。
（１）蛍光体粒子とシリカ粒子とを所定の割合となるように混合し、これらの粉末を例えばニトロセルロース、酢酸ブチルからなる有機溶媒に混合し、十分に撹拌して蛍光体スラリー（塗布液）を製作する。この際、シリカ粒子が十分に拡散するために、シリカ粒子表面には例えばシランカップリング剤処理の表面処理が施されていることが好ましい。
（２）発光管用のガラス管に蛍光体スラリー（塗布液）を塗布し、乾燥させる。
（３）乾燥後、蛍光体層を約５００〜８００℃、０．２〜２ｈ焼成し、冷却する。
（４）発光管内部を排気して所定の封入物（希ガスなど）を封入し、チップオフ（封止）する。
（５）次いで、例えば、金、銀、アルミニウム、ニッケル等の材質を真空蒸着、スクリーン印刷等の手段で形成することにより電極を形成し、蛍光ランプが完成する。なお電極としては、アルミテープなどを用いることもできる。

このように、本発明に係る蛍光ランプによれば、従来技術に係る製法（図１１参照）と比較して、低融点ガラス層を形成するために必要な焼成工程を省略することができるので、生産性が良好な蛍光ランプを提供することができる。

図５および図６は、本発明の他の実施例に係る蛍光ランプを説明する図である。
図５では管軸に対して垂直に切断した横断面図を示している。この蛍光ランプは、発光管２の下側が光を放射する側の面となっている。効率よく下側から光を取り出すために、光取り出し部９を除いて紫外光反射層８が発光管２と蛍光体層５との間に形成されている。
図６に示すように、このような紫外光反射層８は、上記特許文献２に開示されるものを使用することができ、シリカ粒子、又はシリカ粒子とアルミナ粒子の混合粒子などによって構成されるものである。シリカ粒子のみを使用する場合、平均粒径としては例えば０．１〜０．６μｍ、膜厚が約１０〜３０μｍの層からなる。
このような構成とすることにより、蛍光体層５により生成された紫外光が該反射層８によって反射されて、下部の光取り出し部９から効率的に放射される。

次いで、本発明による効果を実証するための試験を行った。
＜試料の作製＞
シリカ粒子の粒径、混合割合を種々異ならせることにより、本発明に係る蛍光ランプの試料を製作した。まず、蛍光体粒子とシリカ粒子を所定の割合で有機溶媒に混合し、蛍光体の塗布液を調製した。
調製した塗布液は全部で２０種類あり、図７に示すように、試料１〜試料５は平均粒径が１０ｎｍ、試料６〜試料１０は平均粒径が１５ｎｍ、試料１１〜試料１５は平均粒径が５０ｎｍ、試料１６〜試料２０は平均粒径が１００ｎｍのシリカ粒子を用い、更に、それぞれ同一平均粒径のシリカ粒子を用いたものにおいて、蛍光体層に含まれるシリカ粒子の混合比を１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％と変えて製作した。
使用したシリカ粒子は予めシランカップリング剤の表面処理を施したものを用いたものであり、溶剤としてビニルシランシを使用したものである。このようにシリカ粒子を予めシランカップリング剤により表面処理することで、塗布液中にシリカ粒子を均等に分散させることができる。この塗布液を、外径１０ｍｍ、厚み１ｍｍの試料のガラス管内に塗布し、乾燥したのち、６００℃で焼成して蛍光体層とした。
また、比較例としてガラス層と蛍光体層（シリカ粒子の含有なし）からなる従来技術にかかる試料（以下、従来技術試料１という）を製作し、更に、ガラス管の内面に低融点ガラス層を１０μｍ形成した後、シリカ粒子を含まない蛍光体層を１５μｍの膜厚で形成した、別の従来技術に係る試料（以下、従来技術試料２という）を製作した。
なお、全ての試料における蛍光体には、セリウム付活アルミン酸マグネシウムランタン（Ｌａ−Ｍｇ−Ａｌ：Ｃｅ）を用いており、粒子径２〜１５μｍ、平均粒径５．５μｍであった。

＜耐衝撃性試験＞
蛍光体の付着状態を検証するため、耐衝撃性試験を行った。
試験は、蛍光体を塗布した石英ガラスからなるガラス管を垂直に立て、厚み１０ｍｍの樹脂製（例えばフェノール樹脂）の平らな板の表面に、ガラス管を落下させて行った。落下距離は５０ｍｍであって。これを１０回繰り返した後、蛍光体層が剥れているかどうか、目視で確認した。
図７の耐衝撃性試験の欄に示されるように、耐衝撃性試験の結果、○は、蛍光体層の剥がれが認められなかったものであり、×は、蛍光体層の剥がれが確認できたものである。この試験によれば、従来技術試料１においては、蛍光体層が剥がれてしまい、蛍光ランプを構成するに至らなかった。

＜結着性試験＞
続いて、蛍光体層の発光管に対する結着性の程度を検証した。
図８に示す構成に基づき、蛍光体層５を形成したガラス管２の内部に、内径２ｍｍの空気ノズル１０を挿入し、ノズルから空気を吹き付けた。吹き付ける空気圧を徐々に上げて蛍光体層５が剥離するノズル１０の空気圧を測定した。
この結果を、図７の結着性試験の欄に示す。この実験で分かるように、シリカ粒子の混合比が１ｗｔ％程度と極めて少ないと、求められる発光管への結着機能が発揮されず、蛍光体層の結着力が不足するが、２ｗｔ％以上になるとその結着力が従来技術試料２と同等もしくはそれ以上となる。
なお、表中で０．５０（ＭＰａ）以上としたものは、０．５０ＭＰａでは蛍光体層の剥がれがなく、それ以上の圧力では実験をしていないことを意味する。
また、従来技術試料１については、上記耐衝撃性試験においてすでに蛍光体層が剥がれているので、この結着性試験、および後述の紫外光強度試験は不実施としている。

＜紫外光強度試験＞
上記結果に基づき、従来技術試料２及び本発明に係る試料１〜試料１６の試料から、実際に蛍光ランプを構成し、高周波電圧を印加してランプの点灯実験を行った。製作した蛍光ランプは、外観としては図１に示すものであり、発光管内部は図５で示した構成である。
図９で示すように、この蛍光ランプ１の光取り出し部９に照度計を配置して、照度測定を行った。発光管の寸法は、いずれも、全体の大きさが１４×４２×６５０ｍｍであり、発光管を構成する石英ガラスの厚みは２ｍｍであった。
なお、この実験においては、光取り出し部９となる発光管２の長辺面を除いた部分の発光管内表面に紫外光反射層８を設けた。この紫外光反射層８はシリカ粒子により形成したものであり、粒子径０．１〜０．６μｍ、平均粒径０．２５μｍであり、紫外光反射層の厚みは３０μｍであった。
蛍光体は、セリウム付活アルミン酸マグネシウムランタン（Ｌａ−Ｍｇ−Ａｌ：Ｃｅ）を用いており、粒子径２〜１５μｍ、平均粒径５．５μｍであった。蛍光体の塗布液を上述した方法と同様の工程で調製して、発光管内面に塗布し、乾燥、焼成して形成した。最終的な蛍光体層の厚みは１５μｍであった。
このように発光管内面に紫外光反射層および蛍光体層を形成した後、発光管内部に発光ガスとしてキセノンを５３ｋＰａ封入し、発光管の外表面に格子状の金属からなる電極を設置した。電極の寸法は３２×５００ｍｍであった。

上記構成において、下記手順に従い紫外光照度を測定した。
まず、光出射部の中央部に対向する位置において、ランプ１表面から５ｍｍ離して分光器受光部１１を固定した。分光器受光部１１はファイバーにより分光器（いずれも不図示）と接続した。ランプの電極間に交流高電圧を印加することで、放電容器内部に放電を発生させ、格子状電極４を通して光取り出し部９から放射される紫外光を測定した。
ランプ入力は２５０Ｗとした。
分光器の測定スペクトルから３００〜４００ｎｍの照度を積算した値を用いて、紫外光強度を比較した。
ガラス層と蛍光体層（シリカ粒子の含有なし）を備えた、従来技術試料２に係るランプの紫外光照度を１００としたときの相対値を用いて、試料１〜２０のランプの紫外光照度の測定結果を図７の紫外光強度の欄に示す。
この結果、蛍光体層に含まれるシリカ粒子の平均粒径が１０ｎｍ以上であると、従来技術ランプよりも紫外光強度が概ね従来ランプを上回ることが判明した。ただ、平均粒径が１００ｎｍ以上になると僅かに紫外光強度が低くはなるが、実用上問題になるほどのものではない。

以上説明したように、本発明の蛍光ランプでは、蛍光体層を蛍光体粒子とシリカ粒子とによって構成したことによって、蛍光体層を発光管に形成する際に、蛍光体層を焼成する工程１回で済み、従来のように、低融点ガラス層の焼結と蛍光体層の焼結の２回の焼結工程に比べてその作業工程が大幅に改善される。
しかも、前記蛍光体層に含まれるシリカ粒子の平均粒径を１０〜１００ｎｍとし、混合比を２〜２０ｗｔ％とすることによって、蛍光体層の発光管への結着力が改善され、更に好ましくは、平均粒径を１０〜５０ｎｍとすることによって、上記結着力に加えて紫外光強度も従来技術より大きなものが得られるという効果を奏する。

１ 蛍光ランプ
２ 発光管
３、４ 外部電極
５ 蛍光体層
６ 蛍光体
７ シリカ粒子
８ 紫外光反射層
９ 光取り出し部
１０ 空気ノズル
１１ 分光器受光部

Claims (5)

1. 石英ガラスからなる発光管と、励起されることにより紫外光を放射する蛍光体層を備えた蛍光ランプにおいて、
   前記蛍光体層は、蛍光体粒子と、該蛍光体粒子よりも粒径が小さなシリカ粒子を含むとともに、
   前記蛍光体層に含まれるシリカ粒子の割合が２〜２０ｗｔ％である
   ことを特徴とする蛍光ランプ。
2. 前記蛍光体層に含まれるシリカ粒子は、平均粒径が１０〜１００ｎｍである
   ことを特徴とする請求項１記載の蛍光ランプ。
3. 前記蛍光体層に含まれるシリカ粒子は、平均粒径が１０〜５０ｎｍである
   ことを特徴とする請求項２記載の蛍光ランプ。
4. 紫外線を放射する蛍光体層を備えた蛍光ランプの製造方法であり、
   蛍光体粒子とシリカ粒子と有機溶媒とを混合し、前記蛍光体層に含まれるシリカ粒子の割合が２〜２０ｗｔ％となるように蛍光体塗布液を調製する工程と、
   前記蛍光体塗布液を石英ガラスからなる管に塗布する工程と、
   前記蛍光体塗布液を乾燥させたのち後、蛍光体およびシリカ粒子を焼成する工程と、
   を含むことを特徴とする蛍光ランプの製造方法。
5. 前記蛍光体塗布液を調製する工程において、シランカップリング剤による表面処理を施したシリカ粒子を用いることを特徴とする請求項４記載の蛍光ランプの製造方法。
   

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