JP2000340178A - 金属蒸気放電灯および発光管内面保護層の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】発光材料と石英ガラスとの化学反応を防止する
ため、熱的および化学的な耐久性に優れた保護層を形成
し、その製造コストの上昇を最小限とする。 【解決手段】発光管１の石英ガラス内表面に酸化スカン
ジウムと酸化珪素の混合物又はスカンジウム珪酸塩から
なる層を、スカンジウムの含有率が表面から深さ方向に
減少するように形成し、その上に酸化スカンジウムから
なる薄膜を形成する。その手段は高温下でハロゲン化ス
カンジウムの蒸気を石英ガラス表面に作用させ、１〜２
００ｎｍのごく薄い濃度勾配を有する保護層を形成す
る。発光管の長時間の点灯によって形成される発光管内
表面の組成分布とほぼ同一の状態が、発光管の製造段階
で形成されるため、石英ガラス管壁表面と発光金属との
反応は実質的に発生せず、管壁の黒化や遊離ハロゲンの
蓄積が抑制されて、点灯開始から１００時間程度の期間
での光出力の著しい低下が防がれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、無電極放電管を含む金
属蒸気放電灯全般及びその他の石英ガラス管壁の化学反
応の抑制が必要な内面保護層の形成方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】メタルハライドランプなどの金属蒸気放
電灯は、タングステンハロゲンランプなどと比較する
と、発光効率が高く寿命が長いなどの利点がある。近
年、発光管の著しい小型化や瞬時点灯技術の確立などに
よって、自動車のヘッドライト用の光源として採用され
るようになった。

【０００３】自動車用メタルハライドランプは、石英ガ
ラス製の発光管に、例えば、スカンジウムおよびナトリ
ウムのヨウ化物、水銀およびキセノンガスを封入し、発
光管内に対向して設けた一対の電極間に高温のアーク放
電を形成することにより光を発生するものである。この
種の金属蒸気放電灯には、発光管の石英ガラス管壁が、
スカンジウムやナトリウムまたはこれらのハロゲン化物
と化学反応することにより、点灯時間とともに光出力
（全光束）が低下するという問題があった。

【０００４】この反応メカニズムについての本発明者等
による検討結果を、以下に簡単に述べる。発光管はその
製造過程において徹底した脱ガス処理を施され、管壁内
表面は清浄な状態が得られる。清浄な石英ガラス表面は
吸着性が非常に強く、この状態で電極間にアーク放電が
生起されると、石英ガラス表面に金属ハロゲン化物が吸
着される。これらの吸着された金属ハロゲン化物の一部
は、石英ガラス表面の酸素と結合し、金属珪酸塩または
それに類する化合物を形成する。この化合物が石英ガラ
ス表面にできると、これを起点として結晶化の現象が生
じ、長時間の点灯後に管壁の白濁を生じる。

【０００５】発光材料にハロゲン化スカンジウムを含有
する場合には、さらに深刻な事態が生じる。すなわち酸
化スカンジウムは熱的および化学的に非常に安定である
ため、高温の石英ガラス上に吸着された金属スカンジウ
ムまたはハロゲン化スカンジウムは、石英ガラス表面の
酸素と結合するばかりでなく、石英ガラス内部まで浸食
して金属珪酸塩または酸化スカンジウムを生じる。一部
の珪素は、表面に析出してハロゲンと反応し、ハロゲン
化珪素として蒸発する。このハロゲン化珪素は、気相中
を輸送されてタングステンからなる電極に到達すると、
これと反応してタングステンと珪素の低融点合金を生
じ、始動時などに電極が高温となると蒸発して管壁を黒
化させる。さらに管壁の黒化は光吸収などにより管壁温
度を上昇させ、前述の反応サイクルを促進することにな
る。

【０００６】発光管の光出力の低下は、前記した管壁の
白濁および黒化による光の遮蔽作用、化学反応による発
光金属の消失、および、遊離ハロゲンの蓄積によって起
こる。遊離ハロゲンによる出力低下は、意図的に過剰な
ハロゲンを封入した実験で確認された。ハロゲンは電子
を付着しやすいため低速度の陰イオンを形成し、ランプ
電圧や始動電圧を上昇させると考えられているが、特に
アークの辺縁部での拡散発光領域において自由電子を欠
乏させ、ナトリウムなどのイオン化電圧の低いガスの発
光を妨げるために光出力が低下するものと思われる。

【０００７】実際のスカンジウムおよびナトリウムのヨ
ウ化物を封入した発光管では、点灯開始から１００時間
位の間に５〜２０％の比較的大きな出力低下が起こり、
その後は非常にゆっくりとしたペースで出力が低下して
いく。初期の比較的大きな出力低下について、発光スペ
クトル分布を時間的に追跡調査したところ、光束の低下
は主としてスカンジウムの発光量の低下によるものであ
ることが明らかになった。そして、前述した化学反応サ
イクルを考慮すると、スカンジウムと石英ガラスの反応
は、発光管内表面の全面を覆い尽くすまで継続し、その
完了に要する時間が１００時間程度であることが推定さ
れる。実際にヨウ化スカンジウムを石英ガラスアンプル
に封入して１０００℃に加熱する実験では、遊離ヨウ素
濃度の上昇は約８０時間で止まり、この推定を裏付け
た。また、これらの解析結果から、スカンジウムと石英
ガラスの反応は石英ガラス表面およびその近傍に限定さ
れると考えられる。

【０００８】金属ハロゲン化物と石英ガラスの反応を抑
制するための手段は比較的早くから研究されてきてお
り、例えば、特公昭４６−２１４３２号および特公昭４
８−２６６２４号公報では、ナトリウムなどのアルカリ
金属が石英ガラス管壁を透過して消失するのを防ぐため
に、酸化スカンジウムなどからなる被膜を発光管内面に
形成する手段が提案されている。しかしながら、このよ
うな手段による保護被膜は石英ガラスに対して熱膨張率
が数倍から数十倍大きいため、被膜のクラックや剥離を
生じやすいという欠点があり、保護被膜の耐久性が十分
ではなかった。

【０００９】また、特開昭５１−２６７８３号公報や特
開平８−３６９９３号公報では、発光管内面に窒化珪素
からなる保護層を形成する手段が開示されており、特に
後者では石英ガラス表面の酸素を窒素に置換することに
より、窒化物の含有率を深さ方向に減少させ熱膨張率を
連続的に変化させてクラックや剥離を防いでいる。しか
しながら、窒化珪素の保護層は、空気中で容易に酸素に
再置換されてしまうなど安定性に欠けるという問題点が
ある。一方、特開平７−１３４９７１号公報では、アル
ミナからなる保護層の内側に傾斜機能を有する中間層を
設けた構造が開示されている。しかし、この手段も製造
に手間がかかるとともに、アルミナの化学反応抑制効果
が小さいなどの問題点を有している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、スカンジウ
ムなどの発光材料と石英ガラスとの化学反応を防止する
ための手段として、熱的および化学的な耐久性に優れた
保護層と、その製造コストの上昇を最小限とすることの
できる保護層の形成手段を提供するものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする手段】本発明は、発光管の石
英ガラス内表面に酸化スカンジウムと酸化珪素の混合物
またはスカンジウム珪酸塩またはこれに類する化合物か
らなる層を、スカンジウムの含有率が表面から深さ方向
に減少するように形成し、さらにその上に酸化スカンジ
ウムからなる薄膜を形成したことを特徴とするものであ
る。

【００１２】また、その形成手段として、高温下でハロ
ゲン化スカンジウムの蒸気を石英ガラス表面に作用さ
せ、１〜２００ｎｍのごく薄い濃度勾配を有する保護層
を、非常に簡単な手段で形成するものである。

【００１３】本発明によれば、発光管の長時間の点灯に
よって形成される発光管内表面の組成分布とほぼ同一の
状態が、発光管の製造段階で形成されることになる。そ
のため、石英ガラス管壁表面と発光金属との反応は、実
質的に発生しなくなる。また、同時に、石英ガラス管壁
から蒸発したハロゲン化珪素が電極と反応することによ
る管壁の黒化や遊離ハロゲンの蓄積が抑制される。これ
らの結果、点灯開始から１００時間程度の期間での光出
力の著しい低下が防がれる。

【００１４】

【発明の実施形態】図１は、本発明による発光管の概略
図である。発光管１は、石英ガラス管を成形してなり、
内部に放電空間２を有し、前記放電空間２に一端を突出
するように埋設されたタングステンなどの高融点金属か
らなる一対の電極３を備え、前記電極３の前記放電空間
２と反対の端にはモリブデンなどからなる箔４を溶接な
どの手段で連接し、さらに、前記箔４の放電空間と反対
側の端にはモリブデンなどからなるリードワイヤ５を溶
接などの手段で連接し、前記放電空間２内への突出部分
を除く前記電極３からリードワイヤ５のある部分までを
ピンチシールなどの手法で石英ガラス内に埋め込むこと
により前記放電空間２を気密にシールするとともに前記
電極３への電気伝導を成している。リードワイヤ５は図
示しない口金および駆動電源に接続され給電を行う。前
記放電空間２の内部には、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化
ナトリウム、水銀、およびキセノンガスが封入されてい
る。

【００１５】図２は、図１に示した発光管１の放電空間
に接する管壁の表面近傍の断面を模式的に表したもので
ある。管壁表面１１には酸化スカンジウムと酸化珪素の
混合物または金属珪酸塩からなる保護層１２が形成され
ており、スカンジウム原子の濃度は、管壁の表面から内
部に向かって減少する。スカンジウム原子が存在する範
囲すなわち保護層の厚さは約２０ｎｍである。

【００１６】次に、保護層の形成手段について説明す
る。図３は、本発明による発光管内面保護層形成装置の
実施例の概略図である。発光管２１の一端には排気管２
３が接続されている。発光管２１のもう一端は封じてあ
り、そこにヨウ化スカンジウムのパウダ２７が導入され
ている。電気炉２６によって加熱蒸発したヨウ化スカン
ジウム蒸気を発光管２１内に導き、前記発光管２１の放
電空間となる部分で小型の電気炉２８によって８００〜
９００℃に加熱され、石英ガラス管壁との反応を行う。

【００１７】この反応は、処理温度が高くなると、酸化
スカンジウムが存在する深さすなわち保護層の厚さは大
きくなるが、処理時間を短くすることにより、丁度よい
厚さの保護層が得られる。この実施例では、８５０℃で
２０分間の処理とした。未反応で発光管２１を通過した
ヨウ化スカンジウムは、排気管２３から排出され、冷却
トラップなどで固集処理する。

【００１８】図４には、本発明による発光管内面保護層
形成装置の別の実施例の概略図を示す。発光管２１の一
端にはガス導入管２２が接続され他端には排気管２３が
接続されている。気化器２４にはヨウ化スカンジウムの
パウダ２７が導入されており、キャリアガス導入管２５
よりアルゴンガスを供給し、電気炉２６によって加熱蒸
発したヨウ化スカンジウム蒸気を前記ガス導入管２２に
導く。前記発光管２１の放電空間となる部分の周囲には
小型の電気炉２８を備え、さらにその周囲に発光管全体
を囲う保温管２９を備えている。

【００１９】前記保温管２９は、前記したヨウ化珪素や
ヨウ化スカンジウムが発光管内に残らないように、発光
管全体をある程度高い温度に維持するためのものであ
る。この方法では、保護層の厚さを決めるパラメータ
は、処理温度と処理時間の他に、キャリアーガスである
アルゴンの流量が含まれてくる。

【００２０】次いで、発光材料の封入や電極アセンブリ
の封着などを行い、発光管を製作した。このように製作
された３５Ｗ自動車用発光管を約１００時間点灯し、光
束維持率と発光管電圧の変動を調べた。この試験での点
灯スケジュールは、９分４５秒の点灯と１５秒の消灯を
５回繰り返した後１０分間消灯して１サイクルとするも
ので、消灯している期間は点灯時間に含まない。試験結
果を、内面保護層の形成を行わない発光管と比較して表
１に示す。なお表１に記載した数値は、各５個のサンプ
ルの平均値である。

【００２１】表１ 表１より、保護層を有する発光管は、光出力の低下が小
さく、また、発光管電圧の上昇が小さいことが確認され
た。これは、保護層の形成により、発光金属と石英ガラ
ス管壁との反応が抑制され、ヨウ化珪素や遊離ヨウ素の
生成が大幅に低減されたことによるものと考えられる。

【００２２】図５には表１と同一の発光管の光束維持特
性を示す。前記と同様の試験を行い保護層を形成した発
光管は、約２０００時間の点灯後においても光束維持率
が約８０％と良好な結果を示した。本発明における保護
層の形成手段は、スカンジウムを石英ガラス管壁に反応
させることにより、深さ方向にスカンジウムの濃度傾斜
を持たせるものであり、図３および図４に示した保護層
の形成手段に限定されるものではない。

【００２３】例えば、発光管の加熱方法としては、発光
管を回転させながらガスバーナーやプラズマバーナーま
たは炭酸ガスレーザなどを照射する方法、および、高周
波コイルで発光管内部に熱プラズマを発生させる方法な
どが考えられる。また、金属スカンジウムを発光管内に
導入し、電流加熱やＹＡＧレーザ照射によって蒸発させ
て管壁に金属膜を形成した後、発光管を加熱してスカン
ジウムを石英ガラス管壁と反応させ、しかる後に管壁表
面を酸化処理する方法などが考えられる。いずれの方法
によっても、深さ方向に濃度傾斜を有する保護層の形成
が可能であり、本発明の目的である発光金属と発光管管
壁の反応の抑制を達成することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明による効果を以下１〜９に示す。 １．光出力の維持特性の改善 発光管管壁の黒化や遊離ヨウ素の蓄積を防止することに
より、高い光束維持特性が実現される。 ２．発光管管壁の失透（白濁や黒化）を防止 自動車前照灯では、発光管管壁が失透すると、投射され
る光源像がぼけてしまい路面照度分布の変動や遠方視認
性の低下が起こる。本発明によれば、発光管管壁の失透
が抑制されているため、寿命末期に至るまで良好な配光
パターンを維持することができる。 ３．不点灯や立ち消えを防止。 遊離ヨウ素は、その高い電子付着性によって自由電子密
度を低下させるため、始動電圧や管電圧を上昇させる
他、放電を不安定にしてチラツキや立ち消えを引き起こ
したりする。本発明によれば、遊離ヨウ素の発生が大幅
に減少するので、これらの問題を解消することができ
る。 ４．長寿命 発光管は、長時間の点灯を行うと、発光管管壁の黒化な
どによって管壁温度が上昇し、管壁の石英ガラスから一
酸化珪素の蒸発と管壁への再結晶を生じて著しい管壁の
白濁を引き起こし光出力が急減する。また、発光管は石
英ガラスの耐熱限界を超えて膨張してしまう。本発明に
よれば、発光管管壁の黒化が大幅に抑制されるため、発
光管の著しい白濁や膨れが起こるのは従来の倍以上の点
灯時間が経過してからである。 ５．ナトリウムの消失が抑制される。 ナトリウムなどのアルカリ金属は、石英ガラス中を電気
泳動して発光管の外部に漏出してしまうが、本発明によ
れば、発光管内面に緻密な保護層が形成されているの
で、アルカリ金属の拡散を防止することができる。 ６．保護層の熱的および化学的安定性が高い。 保護層を酸化スカンジウムと酸化珪素の混合物あるいは
金属珪酸塩としたことにより、熱的に極めて安定である
とともに、化学反応の抑制効果も大きい。 ７．保護層の耐久性が高く、保護層の剥離やクラックを
生じない。 従来技術の保護層では保護層と石英ガラス管壁との熱膨
張率の差によって剥離やクラックが生じやすく、実用レ
ベルに達していなかったが、本発明によれば、保護層の
酸化スカンジウム濃度に傾斜を持たせたので、熱膨張率
は深さ方向に連続的に変化し、かつ保護層は極めて薄い
ため、熱膨張に起因するこれらの問題を解決することが
できる。 ８．コストの上昇が最低レベルに抑えられる。 従来に考案された保護膜の形成手段と比較すると、構成
が単純であり、工数が少なく、処理時間が短く、さらに
は有害物質を使用しないので除害設備なども必要としな
い。 ９．光出力の改善と水銀を含有しない高圧金属蒸気発光
管が実現できる。 従来は、金属ハロゲン化物の蒸気圧を大きくすると石英
ガラス管壁と発光金属との反応が促進されるため、金属
ハロゲン化物の蒸気圧をあまり高めることはできなかっ
た。本発明によれば、石英ガラス管壁と発光金属との反
応が抑制されるため、従来になく金属ハロゲン化物の蒸
気圧を高めることができ、光出力の改善が可能である。
また、そのような発光管設計においては発光管の動作温
度が高くなるため、もはや水銀は重要ではなくなり、水
銀を含まない高圧金属蒸気発光管が実現可能となる。そ
れにより、使用済み発光管の廃棄や水銀の回収に要する
コストが大幅に節減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属蒸気放電灯による発光管の概略図
を示す図である。

【図２】本発明の金属蒸気放電灯による発光管の放電空
間に接する管壁の表面近傍の断面を模式的に示した図で
ある。

【図３】本発明による発光管内面保護層形成装置の第一
の実施形態を示す図である。

【図４】本発明による発光管内面保護層形成装置の第二
の実施形態を示す図である。

【図５】内面保護層の有無の発光管を形成した時の光束
維持率特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１−−−発光管 ２−−−放電空間 ３−−−電極 ４−−−箔 ５−−−リ−ドワイヤ １１−−−管壁表面 １２−−−保護層 ２１−−−発光管 ２２−−−ガス導入管 ２３−−−排気管 ２４−−−気化器 ２５−−−キャリア導入管 ２６−−−電気炉 ２７−−−ヨウ化スカンジウムのパウダ ２８−−−小型の電気炉 ２９−−−保温管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5C015 QQ14 QQ35 5C043 AA03 AA06 AA07 AA11 AA14 AA20 BB09 CC01 CD01 DD03 EA16 EB11 EC02

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光管の内面に酸化スカンジウムと酸化珪
   素の混合物またはスカンジウム珪酸塩からなる保護層を
   形成したことを特徴とする金属蒸気放電灯。
2. 【請求項２】前記保護層内のスカンジウム原子の濃度が
   発光管内表面から深さ方向に減少する濃度傾斜を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の金属蒸気放電灯。
3. 【請求項３】前記保護層の厚さは２００ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属
   蒸気放電灯。
4. 【請求項４】前記発光管内には、少なくともハロゲン化
   スカンジウムを含有することを特徴とする請求項１から
   請求項３のいずれかに記載の金属蒸気放電灯。
5. 【請求項５】前記発光管内に水銀を含有しないことを特
   徴とする請求項４記載の金属蒸気放電灯。
6. 【請求項６】ハロゲン化スカンジウム蒸気を発光管内面
   の石英ガラス管壁と化学反応させることにより保護層を
   形成したことを特徴とする発光管内面保護層の形成方
   法。
7. 【請求項７】前記保護層を形成した後、さらに前記保護
   層の表面を酸化処理することを特徴とする請求項６記載
   の発光管内面保護層の形成方法。
8. 【請求項８】前記ハロゲンはヨウ素であることを特徴と
   する請求項６記載の発光管内面保護層の形成方法。
9. 【請求項９】発光管内面にスカンジウムの金属膜を形成
   した後に高温に加熱してスカンジウムを石英ガラス内部
   に拡散させ保護層を形成したことを特徴とする発光管内
   面保護層の形成方法。
10. 【請求項１０】前記スカンジウムの石英ガラス内部への
    拡散工程は酸化雰囲気下で行うことを特徴とする請求項
    ９記載の発光管内面保護層の形成方法。
11. 【請求項１１】前記スカンジウムの石英ガラス内部への
    拡散工程の後、前記保護層表面の酸化処理を行うことを
    特徴とする請求項９記載の発光管内面保護層の形成方
    法。