特許 5915975 無水銀放電ランプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5915975

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】無水銀放電ランプ

(51)【国際特許分類】

   H01J 61/18 20060101AFI20160422BHJP

   H01J 61/32 20060101ALI20160422BHJP

【ＦＩ】

   H01J61/18

   H01J61/32 A

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-114236(P2014-114236)

(22)【出願日】2014年6月2日

(65)【公開番号】特開2015-228346(P2015-228346A)

(43)【公開日】2015年12月17日

【審査請求日】2015年2月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106862

【弁理士】

【氏名又は名称】五十畑 勉男

(72)【発明者】

【氏名】柳生 英昭

【審査官】 遠藤 直恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２１８２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０３１１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１４０６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ６１／００−６５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

石英ガラスからなる発光管内に一対の電極が対向配置され、該発光管の電極周辺の外表面に保温膜が形成されているとともに、前記発光管内に亜鉛（Ｚｎ）、ハロゲンおよび希ガスが封入されてなる無水銀放電ランプにおいて、
前記発光管内に、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属として、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、バリウム（Ｂａ）、リチウム（Ｌｉ）、セリウム（Ｃｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、ガリウム（Ｇａ）、タリウム（Ｔｌ）、インジウム（Ｉｎ）のいずれかを封入するとともに、
該金属の封入モル密度Ａと、前記亜鉛の封入モル密度Ｂの比率を、Ａ／Ｂ＝０．００１〜０．０５とした、
ことを特徴とする無水銀放電ランプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、無水銀放電ランプに関するものであり、特に、発光管内に亜鉛（Ｚｎ）を封入した無水銀放電ランプに係わるものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、殺菌、プラスチックの表面改質、インク・塗料・接着材などを紫外線により硬化乾燥するためのＵＶキュアなどの用途として、紫外線放電ランプが広く利用されていて、特に２００〜３５０ｎｍの短波長紫外域で紫外線出力の高い放電ランプが要求されている。
そして、この短波長域の紫外線を放射する放電ランプとしては高圧水銀ランプが多用されているが、この放電ランプは発光効率が数％と低いことが問題であった。
また一方で、最近、環境への配慮から水銀を含まないランプに対する要請が高まっており、水銀放電ランプの使用を控えることが趨勢となってきている。

【0003】

このような要請に応えるものとして、発光物質として水銀の代わりに、亜鉛（Ｚｎ）を封入した無水銀放電ランプが提案されている。例えば、特開平０９−２９３４８２号公報（特許文献１）に開示されていて、亜鉛の利用により、エネルギー変換効率を高めて、産業用光源として問題ない高エネルギー変換効率の放電ランプを実現しようとするものである。
この特許文献１においては、図３に示すように、電極間距離Ｘと、発光管内径Ｙとの比Ｘ／Ｙが２以上で、Ｙ＝２〜２５ｍｍであり、発光管内に、キセノン（Ｘｅ）ガスと、０．００１〜１０ｍｇ／ｃｍ^３の亜鉛（Ｚｎ）を封入し、管壁負荷が１０Ｗ／ｃｍ^２以上で点灯する無水銀放電ランプが開示されている。

【0004】

このランプでは、図４に示すように、確かに波長２００〜２２０ｎｍの短波長範囲では強い発光が得られている。しかしながら、殺菌やキュア用途などにもっとも有効であるとして用いられるのは、２００〜３５０ｎｍの範囲の紫外領域であって、この広い波長領域でみると、中圧水銀ランプと比較して、必ずしも強い発光が得られるとはいえない。

【0005】

そこで、より広い紫外線領域で強い発光を得る方法について鋭意検討したところ、発光管の電極周辺の外表面に保温膜を設けて発光管の電極部周辺を保温することで著しく分光分布が変化することが判明した。
図５は、同仕様のランプで、発光管を保温し、最冷点温度を上げた場合（実線）を、発光管を保温しなかった場合（点線）との比較で示した発光スペクトルである。紫外域２００〜３００ｎｍの範囲で、発光スペクトルの波長についての積分値で比較すると、発光管を保温すると、保温しない場合に比べて前記紫外領域での発光効率が３割アップした。つまり、発光管を保温すると内部温度が高くなり、封入した亜鉛が蒸発しやすくなることにより、発光効率を高くすることができたものと考えられる。
これらのことから、亜鉛を封入した無水銀放電ランプであっても、２００〜３５０ｎｍの波長領域において、非常に高効率で発光し、かつ、中圧水銀ランプ並みの電位傾度を持つ放電ランプを実現できる可能性があることが分かった。

【0006】

しかしながら、上記のように、亜鉛を封入した発光管の電極周辺の外表面に保温膜を被覆した放電ランプを点灯評価したところ、１０時間（ｈ）に満たない点灯時間で発光管の失透が発生し、著しい照度低下が起こった。
その原因について考察したところ、高エネルギーの亜鉛、つまり亜鉛イオンが発光管と衝突した際に、発光管の表層付近に次々に打ち込まれ、その極浅い表層部では亜鉛が飽和状態となる。過飽和となった亜鉛原子は、発光管内で相分離を引き起こし、凝縮することで、亜鉛粒子を形成し、これが光を遮断し、発光管が失透状態となるものと推察される。
また更には、亜鉛の蒸気圧は温度の影響が大きいことから、ランプの冷却条件の少しの変化で亜鉛の蒸気圧が変動してしまい、ランプ電圧の安定性が悪くなり、安定な照度が得られないことも分かった。

【0007】

このような照度低下の改善を図るためには、従来技術では、ハロゲンを添加することが記載されている。しかしながら、ハロゲンを添加したところ、発光管の短時間での失透はある程度抑制されたものの、今度は点灯１００ｈ程度で同様の失透が発生した。
すなわち、ハロゲン添加の効果により、１００ｈ程度に寿命が延びたものの、ハロゲン添加量が少なかったため、実用的な寿命を達成できなかった。
そこで、ハロゲン量を増量することを検討した。
ハロゲン量を増量していくと、発光管の失透は抑制されていく。しかしながら、発光管内で発生した紫外線がハロゲン分子またはハロゲン化物により吸収され、紫外線（ＵＶ）出力が著しく低下していくことが分かった。
すなわち、実用的なＵＶ出力を達成できないことが分かった。

【0008】

結局、ＵＶ出力を十分に得つつ、発光管の失透を抑制することは、従来の技術では達成出来なかった。
このように、亜鉛を封入したランプにおいて、電極周辺の発光管を保温し、発光管の温度を適切にしたことで、亜鉛の蒸気圧が上がり、紫外域の発光効率を向上させることができたが、亜鉛の蒸気圧が上がったことで、亜鉛イオンの増加を引き起こし、この亜鉛イオンの増加が発光管の失透を招くという、亜鉛ランプ特有の問題が新たに発生することが判明した。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平０９−２９３４８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光管内に一対の電極が対向配置され、該発光管の電極周辺の外表面に保温膜が形成されているとともに、前記発光管内に亜鉛（Ｚｎ）、ハロゲンおよび希ガスが封入されてなる無水銀放電ランプにおいて、失透を招くことなく、２００〜３５０ｎｍの短波長領域の紫外線を高出力・高発光効率で放射する長寿命の無水銀放電ランプを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、この発明では、前記発光管内に、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属を封入するとともに、該金属の封入モル密度Ａと、前記亜鉛の封入モル密度Ｂとの比率を、Ａ／Ｂ＝０．００１〜０．０５としたことを特徴とする。
また、前記金属が、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、バリウム（Ｂａ）、リチウム（Ｌｉ）、セリウム（Ｃｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、ガリウム（Ｇａ）、タリウム（Ｔｌ）、インジウム（Ｉｎ）のいずれかであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、亜鉛、ハロゲンおよび希ガスが封入された発光管内に、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属を封入したことにより、放電により発生した電子は、添加した金属にも衝突し、添加金属のイオンを生成させる。そして、添加金属のイオン化によりエネルギーを消費した電子は、亜鉛をイオン化できるほどのエネルギーは最早もっておらず、亜鉛に衝突してもイオン化させることはできなくなる。こうして、亜鉛イオンの総数を減らすことができるので、亜鉛イオンの発光管への打ち込みが抑制されて失透が抑制される。
これにより、短波長領域の紫外線を高出力で高発光効率に放射する長寿命の無水銀放電ランプが得られるものである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の対象となる無水銀放電ランプの断面図

【図2】本発明のランプの寿命試験結果を示す表

【図3】従来の放電ランプ

【図4】従来の放電ランプの発光スペクトル

【図5】従来の放電ランプにおいて、発光管を保温しない場合（点線）と、保温した場合（実線）の発光スペクトル

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の対象となるランプ構造が図１に示されている。
石英ガラス製の発光管１の両端部には封止部２が形成されており、発光管１内には一対の電極３、３が配置されている。
前記封止部２には、金属箔４が配置されていて、この金属箔４は電極３の後端部に溶接されている。更に、該金属箔４の後端には外部リード５が接続されている。
そして、発光管１の電極３の周辺の外表面には保温膜６が被覆形成されている。

【0015】

前記発光管１内には、発光物質として亜鉛（Ｚｎ）が封入されるとともに、ハロゲンおよび希ガスが封入されており、更に、亜鉛イオンの発光管打ち込みを抑制する手段として、亜鉛よりイオン化エネルギーの低い金属としてセシウム（Ｃｓ）が封入されている。
このセシウムの封入量は、該セシウムの封入モル密度をＡとし、前記亜鉛の封入モル密度をＢとしたとき、その比率がＡ／Ｂ＝０．００１〜０．０５となるように封入される。

【0016】

亜鉛の封入モル密度は、亜鉛原子の紫外線発光を効率的に行うため、亜鉛の蒸気圧を上げ亜鉛原子の密度を上げることが好ましく、そのためには０．５〜５μｍｏｌ／ｃｍ^３が好ましい。
亜鉛原子の密度が０．５μｍｏｌ／ｃｍ^３以下であると、アークの温度が低い状態であるため、亜鉛の蒸気圧が低く、亜鉛原子の発光が十分に得られない。
また、５μｍｏｌ／ｃｍ^３以上であると、亜鉛の未蒸発が発生し、蒸発していない亜鉛により光が遮られ、発光照度が低下する。

【0017】

ハロゲンは、亜鉛の蒸気圧を上げることと、ハロゲンサイクルを得ること、そして、亜鉛イオンが発光管に打ち込まれるのを抑制することに効果がある。このために、ヨウ素または臭素等のハロゲンが封入され、これらの全ハロゲンの封入モル密度は、０．１〜２μｍｏｌ／ｃｍ^３が好ましい。
全ハロゲンの封入モル密度が、０．１μｍｏｌ／ｃｍ^３以下であると、ハロゲンサイクルが活性化せずに早期にタングステンが飛散し、発光管に付着することで、光出力が低下する。
また、２μｍｏｌ／ｃｍ^３以上であると、発光が著しく低下し、目的とする紫外線ランプとしての機能を果たさなくなる。これはハロゲン分子またはハロゲン化物には短波長紫外線領域を吸収する性質があるためである。

【0018】

セシウムは、亜鉛イオンの発光管への打ち込みを抑制する手段として封入されるが、その機能について説明すると以下のように推察される。
亜鉛のイオン化エネルギーは、９．３９ｅＶであり、これ以上のエネルギーをもった電子が衝突することにより、亜鉛イオンが生成されることになる。
ここで、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属（セシウム）を添加した場合、電子は、添加したセシウムにも衝突し、セシウムイオンを生成させる。そして、セシウムのイオン化によりエネルギーを消費した電子は、亜鉛をイオン化できるほどのエネルギーはもっておらず、亜鉛に衝突してもイオン化させることができなくなる。
また、セシウムイオンはエネルギーが低く、発光管壁に打ち込まれることはない。
このようにセシウムは、亜鉛のイオン化を抑制するものであるが、その付随的効果として、セシウムは励起エネルギーが低いこともあり、発光管の径方向のアーク温度分布を低下させ、亜鉛ランプ特有の著しいアークの浮き上がりを抑制できるという効果もある。

【0019】

このような亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属としては、前記セシウム（Ｃｓ）以外に、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、バリウム（Ｂａ）、リチウム（Ｌｉ）、セリウム（Ｃｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、ガリウム（Ｇａ）、タリウム（Ｔｌ）、インジウム（Ｉｎ）などがあり、これらにおいても、セシウムと同等の効果が期待できる。

【0020】

上記の亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属の封入モル密度をＡとし、前記亜鉛の封入モル密度をＢとしたとき、その比率Ａ／Ｂの値は照度維持率を評価することにより規定することができる。
そこで、一対の電極間の距離（発光長）が２００ｍｍ、発光管の内径が１６ｍｍであり、発光管の電極周辺部分に保温機構として、セラミック系の保温膜を被覆した無水銀放電ランプを製作した。
発光管内には、亜鉛を封入モル密度で２μｍｏｌ／ｃｃ、ヨウ素を封入モル密度で０．６μｍｏｌ／ｃｃ、キセノンを２０ｋＰａ封入し、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属としてセシウム（Ｃｓ）の封入モル密度を変化させた無水銀放電ランプを製作した。
これらのランプをアーク長１ｃｍあたりの入力を１００Ｗとして点灯させ、２００〜３００ｎｍの照度維持率が８０％になるまでの時間を確認した。その結果が図２の表１に示されている。

【0021】

表１に示されるように、Ａ（Ｃｓ）／Ｂ（Ｚｎ）の値が０．００１以上になると維持率８０％になるまでの時間が１２００時間以上となり、その有効性が確認される。しかしながら、その値が０．１になると、Ｃｓを封入しない場合（Ａ／Ｂ＝０）の照度を１としたときの相対照度が０．６となってしまい、プロセス上、実用的な照度が得られないことが分かった。
このように、Ａ／Ｂの値が、０．００１未満であると、セシウムの添加量が少なすぎて、亜鉛イオンの発光管への打ち込みを抑制する効果が発揮できずに失透してしまい、一方、０．０５を超えると、セシウムの量が過剰となり、光がセシウムに吸収されて、光出力が低下するものと推察される。
これらを総合勘案すると、Ａ／Ｂの値は、０．００１〜０．０５が好適であることが分かる。

【0022】

以上のように、本発明では、亜鉛、ハロゲン及び希ガスを封入した無水銀放電ランプにおいて、発光管内に、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属を封入したことにより、発光管内で放電により生成された電子は、添加したセシウムにも衝突し、セシウムイオンを生成させるので、エネルギーを消費した電子は、亜鉛をイオン化できるほどのエネルギーはもっておらず、亜鉛に衝突してもイオン化させることはできなくなる。
そのため、発光管への亜鉛イオンの打ち込みが抑制されて失透を起こすことが抑制されて、２００〜３５０ｎｍの短波長領域の紫外線を高出力・高発光効率で放射する長寿命の無水銀放電ランプが得られる。
また、前記金属の封入モル密度Ａと、前記亜鉛の封入モル密度Ｂの比率を、Ａ／Ｂ＝０．００１〜０．０５としたことにより、照度維持率が長時間にわたって高維持率に保たれるとともに、その出力照度も高水準に保たれる無水銀放電ランプが得られる。

【符号の説明】

【0023】

１ 発光管
２ 封止部
３ 電極
４ 金属箔
５ 外部リード
６ 保温膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】