JP2008500691A - メタルハライドを有する低圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

低圧ガス放電ランプが、ガス放電容器と共に供される。ガス放電容器は、Al、Ga、In及びTl化合物から構成される群から選択される放電維持組成物、Zn、Cd及びHgの各元素から構成される群から選択される添加物及び緩衝ガスによる充填ガスを有する。低圧ガス放電ランプはさらに、低圧ガス放電を発生させ、かつ維持する手段と共に供される。

Description

本発明は、Al、Ga、In及びTlから構成される群から選択される放電維持組成物で満たされる気体を有するガス放電容器を有する低圧ガス放電ランプに関する。当該低圧ガス放電ランプはまた、低圧ガス放電を発生させ、かつ維持する手段をも有する。

低圧ガス放電ランプにおける光発生は、特に電子だが、それだけではなくイオンも含むキャリアが、充填ガスの電極間に印加される電圧によって強く加速されることで、ランプの充填ガス中で気体原子又は気体分子が衝突するために、これらの気体原子又は気体分子が励起すなわちイオン化するという原理に基づいている。充填ガス中の原子又は分子は基底状態に戻るとき、程度の差はあるが励起エネルギーの実質的部分が放射線に変換される。
米国特許出願公開第2002/047525号明細書

従来の低圧ガス放電ランプは、充填ガス中に水銀を有し、それに加えてガス放電容器内部にリン光体のコーティングをも有する。水銀低圧ガス放電ランプの問題は、水銀蒸気が基本的には高エネルギー放射線、しかも不可視であるUV-C範囲の電磁波スペクトルを放出する。放射線は最初、リン光体によってより低エネルギーの可視光に変換されなくてはならない。この過程において、エネルギー差が望ましくない熱輻射に変換されてしまう。

それに加えて、充填ガス中の水銀は環境に有害で、今日の大量生産される製造物に使用されるのは可能な限り回避されるべき毒物と見なされるようになっている。

低圧ガス放電ランプのスペクトルは、充填ガス中の水銀を別な物質に置換することで影響を及ぼすことができることがすでに知られている。

たとえば特許文献1は、UV放射体としてのIn化合物及び緩衝ガスを有する充填ガスを含むガス放電容器と共に供される低圧ガス放電ランプについて開示している。低圧ガス放電ランプはまた、電極及び、低圧ガス放電を発生させ、かつ維持する手段と共に供される。このIn含有低圧ガス放電ランプは、可視範囲及びUV範囲で放射する。

本発明の目的は、可視領域の電磁波スペクトルに可能な限り近く、効率及び放射強度が改善されている放射線を放出する低圧ガス放電ランプの提供である。

本発明に従うと、本発明の目的は、Al、Ga、In及びTl化合物から構成される群から選択される放電維持組成物、Zn、Cd及びHgの各元素から構成される群から選択される添加物及び緩衝ガスを有する充填ガスを有するガス放電容器と共に供される低圧ガス放電ランプによって実現される。当該低圧ガス放電ランプは、低圧ガス放電を発生させ、かつ維持する手段をさらに有する。

本発明に従ったランプでは、分子ガス放電は低圧で起こり、ガス放電は可視及びUV領域の電磁波スペクトルで放射線を放出する。Al、Ga、In及びTl化合物中に存在するAl、Ga、In及びTlの固有エネルギー準位は別として、当該放射線はまた、Al、Ga、In及びTl化合物の分子放射を起源とする320nmから450nm範囲での広い連続スペクトル及び、Zn、Cd及びHgの各元素から構成される群から選択される添加物を起源とする共鳴放射をも含む。

考えられるさらに他の添加物、ランプの内圧及び動作温度によって、連続スペクトルの厳密な位置及びスペクトル分布、並びにプラズマ効率を制御することが可能である。

リン光体と組み合わせることで、本発明に従ったランプは、視感度(visual efficiency)及び放射強度を有する。これらの値は従来の低圧水銀放電ランプの値よりも実質的に大きい。ルーメン/ワットで表される視感度とは、特定の可視波長範囲での放射線の明るさと、その放射線を放出するエネルギーとの比である。本発明に従ったランプの視感度が高いということは、小さな電力消費で特定光量の光が得られることを意味する。加えて、水銀を使用せずに済む。

本発明に従ったランプはUV-Aランプなので、日焼けランプ、殺菌ランプ又は塗装処理ランプとして有利に利用される。一般的な発光目的では、ランプは適切なリン光体と組み合わせて使用することが可能である。ストークシフトによる損失が小さいので、高発光効率を有する可視光が得られる。

本発明の技術範囲内では、放電維持化合物は、Al、Ga、In及びTlのハロゲン化物からなる群から選択されるのが特に好ましい。

充填ガスは、Zn、Cd及びHgのハロゲン化物からなる群から選択されるハロゲン化物をさらに有して良い。

充填ガスは、Al、Ga、In及びTlからなる群から選択される金属元素をさらに有して良い。充填ガスは、Zn、Cd及びHgからなる群から選択される金属元素をさらに有して良い。

緩衝ガスとしての使用が特に検討される不活性ガスは、He、Ne、Ar、Kr及びXeで構成される群から選択される。

通常動作における動作温度での不活性ガスのガス圧は、0.1mbarから100mbarの範囲で、2mbarが好適値である。

本発明の「明細書」及び「特許請求の範囲」において、“通常動作”という語は、放電維持組成物の蒸気圧が、ランプの発光効率がランプの最大発光効率の少なくとも80%になるような動作条件、つまり放射種(radiating species)の圧力が最適化されているような動作条件を指すのに用いられている。本発明の技術範囲内では、ガス放電容器は壁面内部又は外部をコーティングするリン光体を有するのが好ましいだろう。

本発明に従った低圧放電ランプは、低圧ガス放電手段を有して良い。その低圧ガス放電手段は、内部電極手段、外部電極手段及び無電極手段を有する手段から選択される。

本発明に従った低圧ガス放電ランプでは、ガス放電容器は、熱線反射コーティングを有して良い。

本発明のこれら及び他の態様は、図及び六の実施例を参照することで明らかとなる。

図1で図示された本発明の実施例では、本発明に従った低圧ガス放電ランプは、放電空間を取り囲む平板状ランプバルブ1で構成される。筒の両端では、内部電極2は封じ込まれ、電極を介することでガス放電が発光可能となる。低圧ガス放電ランプは、ランプホルダ及びランプキャップ3を有する。電気バラストがランプホルダ又はランプキャップ3内に既知の方法で組み込まれる。バラストはガス放電ランプの発光及び動作を制御するのに使用される。図1で図示されていないさらに別な実施例では、低圧ガス放電ランプは、代わりに外部バラストを介して動作及び制御させることが可能である。

その代わりにガス放電容器は、外部バルブによって取り囲まれている多重に曲げられた、すなわちコイル状に巻かれた筒の状態で実施することが可能である。ガス放電容器の壁は、波長320nmから400nmまでの波長であるUV-Aに対して透明で、石英又は、Al酸化物のような透明セラミックスな型のガラスで構成されていることが好ましい。

一の実施例において使用される充填ガスは、2×10^-11mol/cm³から2×10^-8mol/cm³の量のAl、Ga、In及びTlのハロゲン化物から選択されるハロゲン化物及び不活性ガスからなる。不活性ガスは、ガス放電をより十分に発光させることを可能にする緩衝ガスの役割を果たす。使用される緩衝ガスについてはArからなるのが好ましい。Arは完全にあるいは部分的に、He、Ne、Kr又はXeのような他の不活性ガスに置換して良い。

Zn、Cd及びHgの各元素で構成される群から選択される添加物を充填ガスに加えることで、従来技術のランプに比べて劇的なプラズマ効率の改善が可能となる。効率は、ガス雰囲気中の二以上の化合物を組み合わせることでも改善が可能である。

効率は、動作中のランプの内圧を最適化することでさらに改善することが可能である。緩衝ガスの冷却充満圧は最大100mbarである。当該圧力は、1.0mbarから5.0mbarの範囲にあるのが好ましく、2.0mbarであるのがより好ましい。

低圧ガス放電ランプのルーメン効率の増大は、適切な構成方法によってランプの動作温度を制御することで実現可能であることが分かっている。ランプの直径及び長さは、外部温度25℃で動作中に、140℃から290℃範囲の内部温度が得られるように選択される。放電が容器内に温度勾配を生じさせるため、この内部温度はガス放電容器の最冷却スポットに関する。

内部温度を増加させるには、ガス放電容器はまた、赤外線反射コーティングでコーティングされても良い。コーティングにはスズ酸化物の赤外線反射コーティングが使用されるのが好ましい。

本発明に従った低圧ガス放電ランプは、内部電極手段、外部電極手段及び無電極手段を有する、低圧放電の発生及び維持手段を有して良い。

本発明に従った低圧ガス放電ランプの電極に適する材料はたとえば、Ni、Ni合金又は高融点金属、特にW及びW合金を有する。またThO₂又はZnOを有するW複合材料も適切に使用することができる。電極に放射材料を供することで、電極の仕事関数はさらに減少する。

図1に従った実施例では、ランプのガス放電容器4の内部面はリン光体層4’でコーティングされている。ガス放電を起源とするUV放射線は、リン光体層中のリン光体を励起して、可視領域5での発光を起こす。

リン光体層の組成は、光のスペクトル又は光の明暗を決定する。リン光体として適切に使用することが可能な材料は、発生した放射線を吸収し、吸収した当該放射線を、たとえば光の三源光である赤、青及び緑のような適切な波長範囲で放出することで、高蛍光量子収率の実現を可能にしなくてはならない。

適切なリン光体及びリン光体の組み合わせは、必ずしもガス放電容器内部に塗布されていなければならないわけではない。従来のガラス型はUV-A放射線を吸収しないので、リン光体を内側に塗布する代わりに外側に塗布しても良い。

別な実施例に従うと、ランプは、高周波場を使用することで容量励起(capacitively excited)され、電極はガス放電容器外部に供される。

さらに別な実施例に従うと、ランプは、誘導コイル又は高周波アンテナを用いた誘導励起又はマイクロ波構成の手段によって誘導励起される。

ランプが発光するとき、電極から放出される電子は、充填ガスの原子及び分子を励起することで放射線を放出する。

放電によって充填ガスは加熱され、光出力が最適化される所望の蒸気圧及び、200℃から300℃の範囲での所望の動作温度が実現する。

Al、Ga、In及びTlの化合物及び、Zn、Cd及びHgの各元素を有する群から選択される添加物を有する充填ガスから発生する動作中での放射線は、化合物中に含まれるAl、Ga、In及びTlの各元素の固有エネルギー準位及び、Zn、Cd及びHgの各元素の固有線スペクトルを示す。

元素の固有線発光は別として、充填ガスは、波長320nmから450nmまでの強くて広い連続分子スペクトルを放出する。このスペクトルは、Al、Ga、In及びTlの化合物の分子放電によって生じる。連続分子スペクトルの最大放出範囲は、ハロゲン化物の分子質量が増大するに従って長波長側に移動する。
[例1]
長さ25cm、直径2.5cmの石英製円柱放電容器が、銅の外部電極と共に供されている。放電容器は真空引きされ、同時に1回につき0.1mgのGa塩化物及び0.2mgのZnが加えられる。またArが2.5mbarの冷圧で導入される。13.5MHzの周波数を有する高周波場は外部源から供給され、動作壁温度270℃において、プラズマ効率の最大値が測定される。

図2では、発光スペクトルが図示されている。青色Ga線が403nm及び417nm、GaのUV線が288nm及び294nm、Ga塩化物の発光は広帯域、Znの共鳴線が214nm及び308nm、可視領域での発光が468nm、472nm及び481nmである。
[例2]
長さ25cm、直径2.5cmの石英製円柱放電容器が、導電性材料の外部電極と共に供されている。放電容器は真空引きされ、同時に1回につき0.1mgのIn塩化物及び0.1mgのZnが加えられる。またArが2.5mbarの冷圧で導入される。13.5MHzの周波数を有する高周波場は外部源から供給され、動作壁温度287℃において、プラズマ効率の最大値が測定される。

図3では、発光スペクトルが図示されている。青色In線が403nm及び417nm、InのUV線が326nm及び、250nmから300nmの間、In塩化物の発光は340nmから380nmの広帯域、Znの共鳴線が214nm及び308nm、可視領域での発光が468nm、472nm及び481nmである。
[例3]
長さ25cm、直径2.5cmの石英製円柱放電容器が、導電性材料の外部電極と共に供されている。放電容器は真空引きされ、同時に1回につき0.12mgの臭化インジウム及び0.1mgのZnが加えられる。またArが2.5mbarの冷圧で導入される。13.5MHzの周波数を有する高周波場は外部源から供給され、動作壁温度287℃において、プラズマ効率の最大値が測定される。

図4では、発光スペクトルが図示されている。青色In線が403nm及び417nm、InのUV線が326nm及び、250nmから300nmの間、In臭化物の発光は355nmから395nmの広帯域、Znの共鳴線が214nm及び308nm、可視領域での発光が468nm、472nm及び481nmである。
[例4]
長さ25cm、直径2.5cmの石英製円柱放電容器が、導電性材料の外部電極と共に供されている。放電容器は真空引きされ、同時に1回につき0.2mgのIn臭化物、0.05mgの臭化水銀及び0.2mgのInが加えられる。またArが2.5mbarの冷圧で導入される。13.5MHzの周波数を有する高周波場は外部源から供給され、動作壁温度228℃において、プラズマ効率の最大値が測定される。

図5では、発光スペクトルが図示されている。青色In線が403nm及び417nm、InのUV線が326nm及び、250nmから300nmの間、In臭化物の発光は355nmから395nmの広帯域、Hgの異重項間遷移線が254nm、可視領域での発光が405nm、436nm及び546nmである。
[例5]
長さ25cm、直径2.5cmの、UV-A放射線に対して透明なガラスでできた円柱放電容器が、導電性材料の外部電極と共に供されている。放電容器は真空引きされ、同時に1回につき0.1mgのヨウ化インジウム及び0.1mgのCdが加えられる。またArが2.5mbarの冷圧で導入される。13.5MHzの周波数を有する高周波場は外部源から供給され、動作壁温度260℃において、プラズマ効率の最大値が測定される。

図6では、発光スペクトルが図示されている。青色In線が410nm及び451nm、InのUV線が326nm及び、250nmから300nmの間、Inヨウ化物の発光は400nmでの広帯域、Cdの異重項間遷移線が326nm及び229nm、可視領域での発光が477nm、480nm及び509nmである。
[例6]
長さ25cm、直径2.5cmの、UV-A放射線に対して透明なガラスでできた円柱放電容器が、導電性材料の外部電極と共に供されている。放電容器は真空引きされ、同時に1回につき0.1mgのIn塩化物及び0.1mgのCdが加えられる。またArが2.5mbarの冷圧で導入される。13.5MHzの周波数を有する高周波場は外部源から供給され、動作壁温度279℃において、プラズマ効率の最大値が測定される。

図7では、発光スペクトルが図示されている。青色In線が410nm及び451nm、InのUV線が326nm及び、250nmから300nmの間、In塩化物の発光は340nmから380nmまでの広帯域、Cdの異重項間遷移線が326nm及び許容された共鳴が229nm、可視領域での発光が477nm、480nm及び509nmである。

図6はまた、本発明で開示された添加物を含まないIn塩化物を有するランプの発光が弱いことをも示している。

Znを加えたIn化合物を含む充填ガスを有する低圧ガス放電ランプにおける光発生を概略的に図示している。 Ga塩化物とZnを含む充填ガスを有する低圧ガス放電ランプの発光スペクトルを図示している。 In塩化物とZnを含む充填ガスを有する低圧ガス放電ランプの発光スペクトルを図示している。 In臭化物とZnを含む充填ガスを有する低圧ガス放電ランプの発光スペクトルを図示している。 In臭化物、Hg臭化物及びHgを含む充填ガスを有する低圧ガス放電ランプの発光スペクトルを図示している。 Inヨウ化物及びCdを含む充填ガスを有する低圧ガス放電ランプの発光スペクトルを図示している。 In塩化物とCdを含む充填ガスを有する低圧ガス放電ランプの発光スペクトルを図示している。

Claims (10)

1. 充填ガスを含むガス放電容器と共に供される低圧ガス放電ランプであって、
   さらに、低圧ガス放電を発生させ、かつ維持する手段も共に供され、
   前記充填ガスは、
   Al、Ga、In及びTl化合物から構成される群から選択される放電維持化合物を有する放電維持組成物、
   Zn、Cd及びHgの各元素から構成される群から選択される添加物及び、
   緩衝ガスを有する、
   ことを特徴とする低圧ガス放電ランプ。
2. 前記放電維持化合物は、Al、Ga、In及びTlのハロゲン化物で構成される群から選択されることを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。
3. 前記充填ガスは、Zn、Cd及びHgのハロゲン化物から選択されるハロゲン化物をさらに有することを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。
4. 前記充填ガスは、Al、Ga、In及びTlから選択される金属元素をさらに有することを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。
5. 前記充填ガスは、Zn、Cd及びHgから選択される金属元素をさらに有することを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。
6. 前記充填ガスは、緩衝ガスとしてHe、Ne、Ar、Kr及びXeで構成される群から選択される不活性ガスを有することを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。
7. 前記充填ガスは、緩衝ガスとしてHe、Ne、Ar、Kr及びXeで構成される群から選択される不活性ガスを有し、かつ、
   前記不活性ガスのガス圧は、通常動作での動作温度において100mbar未満である、
   ことを特徴とする、請求項5に記載の低圧ガス放電ランプ。
8. 前記ガス放電容器はリン光体コーティングを有することを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。
9. 前記低圧ガス放電発生手段は、内部電極手段、外部電極手段及び無電極手段を有する手段のうちから選択されることを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。
10. 前記ガス放電容器は赤外線反射コーティングを有することを特徴とする、請求項1に記載の低圧ガス放電ランプ。

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