JP2001097742A - 透光性セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

透光性セラミックス及びその製造方法

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JP2001097742A
JP2001097742A JP27816599A JP27816599A JP2001097742A JP 2001097742 A JP2001097742 A JP 2001097742A JP 27816599 A JP27816599 A JP 27816599A JP 27816599 A JP27816599 A JP 27816599A JP 2001097742 A JP2001097742 A JP 2001097742A
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quartz glass
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Akio Harada
晃男 原田
Kazunari Uchida
一成 内田
Sumi Yoshida
寿美 吉田
Kuniyoshi Hoshino
国義 星野
Masahiro Ono
正博 小野
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Hitachi Engineering Co Ltd
Hitachi Ltd
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Hitachi Engineering Co Ltd
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ナトリウムランプ等の高輝度ランプの発光管を
対象にして、より長寿命化、低コスト化を図った発光
管、及びその簡便な製造方法を提供する。 【解決手段】発光管母材として石英ガラス又は合成石英
ガラスを使用し、その表面に耐食膜を形成させて成る新
規な発光管及びその製造方法に関する。本発明による耐
食膜は、イットリア微粒子とシリカ系アルコキシドの混
合用溶液をゾルゲル法によりコーテイングし、大気乾燥
−大気焼成−真空中又は不活性ガス中焼成のプロセスに
より膜形成を行う。本方法により、イットリウムと珪素
から成る複合酸化物を主成分とする耐食膜が生成され
る。イットリアを使用しても、比較的低い焼成温度によ
っても膜生成が可能であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はナトリウムランプ等
の高輝度ランプの発光管として使用する透光性セラミッ
クス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般的によく知られている高圧ナトリウ
ムランプの発光管材料としては、透光性アルミナが広く
使用されている。これらのランプの寿命は凡そ9000〜12
000時間といわれている。現在、供用中ランプの交換、
修理等のメンテナンス作業により、ランプの使用寿命は
更に長寿命化を図ることが望まれている。
【0003】このランプの寿命を律速する要因の一つ
は、発光管に封入されているナトリウムイオンが発光管
材料と反応することに起因すると考えられている。高圧
ナトリウムランプや水銀灯等の高輝度放電灯の長寿命化
を図るために、種々の方法が提案されているが、その手
段の一つに発光管の内面に耐食膜を形成する方法があ
る。例えば、この耐食膜はギブス(Gibbs)の標準生成
エネルギが負で、かつその絶対値が発光管母材のそれよ
りも大きい酸化物から成るようにして、長寿命化を図る
ものである(特開平7−237983号)。すなわち、発光管
母材よりも熱力学的に安定した酸化物の膜を形成して、
長寿命化を図ろうとするものであり、この場合には、例
として発光管母材はアルミナを上げている。
【0004】また、発光管として石英ガラスを使用し
て、その内面に酸化セラミックス(アルミナ(Al2O3)
等)や窒化セラミックス(窒化アルミニウム(AlN)
等)の膜を形成させる方法も提案されている(特開平10
−21880号)。これも同様に母材よりも熱力学的に安定
な化合物を形成させるものである。
【0005】このように、これまでに発光管の内面に耐
食膜を形成させる方法が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ランプの長寿命化を図
るために、前述したような発光管内面に耐食膜を形成さ
せる方法が知られている。しかしながら、発光管の母材
となる材料、耐食膜の材料、製造方法の組み合わせによ
って、ランプの特性や製造コスト等が大きく影響される
ことが知られている。そこで、更に長寿命化が得られ、
同時に低コスト化が図られ、かつ簡便な製造方法による
発光管が強く望まれている。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、発光管母
材の材質、耐食膜材料、製造方法の組み合わせを詳細に
検討した結果、新規な製造方法を得るに至った。
【0008】先ず、コスト低減を図るために発光管母材
については石英ガラス、又は合成石英ガラスを使用する
こととした。これには耐熱ガラス等も含まれる。また、
耐食膜としてはイットリウム酸化物(イットリア;Y2O
3)から成る耐食膜とする。これは、現状の発光管母材
であるアルミナよりもイットリアの方が熱力学的に安定
しており、より長寿命化が期待できるからである。ま
た、イットリアは透光性セラミックスとしての実績もあ
る。
【0009】膜の形成方法としては種々の方法がある
が、高融点材料の酸化物による膜を形成するには、一般
にプラズマ溶射等が利用される。しかしながら、母材と
して石英ガラス等を使用する場合は、石英ガラスの軟化
点が約1500℃程度であるために、膜形成プロセスにおい
て、それを超える加熱処理は避けなければならない。
【0010】一方、イットリア粒子の焼成については、
イットリアの融点が2410℃という高温であるために、少
なくとも凡そ1800℃以上の高温加熱が必要であるといわ
れている。そのような高温でないと、イットリア粒子同
士が結合する、いわゆる焼成が十分に進行しないからで
ある。
【0011】このように、母材として石英ガラス、耐食
膜の成分としてイットリアを選定した場合には、両者の
相反した特性により、膜形成方法が容易ではないことが
わかる。
【0012】本発明者らは、下記のような新規な手段に
よりこの問題を解決した。それは、イットリア粒子とシ
リカ系アルコキシドにより溶液を作製し、ゾルゲル法に
よりコーテイングを行う方法である。イットリア粒子単
独ではなく、シリカ系アルコキシドと混合溶液とするこ
とにより、比較的低い温度において焼成が可能であるこ
とを見出した。
【0013】ここで、ゾルゲル法は薄膜形成のコーテイ
ング法として知られている方法である。
【0014】その新しい膜製造方法の概略を以下に示
す。
【0015】イットリアの微粒子とシリカ系アルコキシ
ドを混合した溶液を調整して、母材にコーテイングす
る。その後に大気中で常温乾燥した後に、二段階の焼成
処理を行う。第一段階の焼成(第一焼成)は、500〜800
℃以下の温度で大気中で加熱する低温焼成である。この
大気中加熱は、バインダーの役割をしているシリカ系ア
ルコキシドから有機物成分を揮発除去することを目的と
している。
【0016】その後、第二段階の焼成処理(第二焼成)
を行う。この焼成は、真空中又は不活性ガス中で1100〜
1400℃に加熱する高温焼成である。今回、この高温加熱
により、イットリア(Y2O3)微粒子と珪酸(SiO2)とが
反応してイットリウム(Y)と珪素(Si)から成る複合
酸化物、例えばY2SiO5等が形成されることを明らかにし
た。
【0017】すなわち、この複合酸化物を形成させるこ
とにより、イットリア微粒子が比較的低い加熱温度にお
いても十分に焼成されることがわかった。本方法によれ
ば、石英ガラスの軟化温度以下の加熱温度においても、
イットリア粒子の焼成が十分達成できる。
【0018】このように、本発明によれば、ある粒径以
下のイットリア微粒子を用いて、シリカ系アルコキシド
との混合溶液によるコーテイングを行うことにより、イ
ットリア微粒子の十分な焼成が得られ、耐食膜が形成で
きるという新規な製造方法を提供する。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の透光性セラミックスの断
面構造を図1に示す。母材1として、石英ガラス又は合
成石英ガラスを用い、少なくともイットリウムと珪素か
ら成る複合酸化物を主成分とし、かつイットリア(Y2O
3)又は珪酸(SiO2)のいずれか又は両方を含有する耐
食膜2を形成させた複合材である。
【0020】耐食膜2を形成する方法としては、前述し
たようにゾルゲル法を適用する。ゾルゲル法は金属アル
コキシドを溶液とし、加水分解、重縮合反応によりゲル
化し、加熱により膜を形成させるもので、高価な設備等
を必要としない方法である。
【0021】図2に本発明による製造方法を示す。以下
に各プロセス毎に説明する。溶液調整は、原料として
イットリア微粒子及びシリカ系アルコキシドを用い、そ
の混合比率はイットリア微粒子に対してSiO2量が重量で
10〜30%になるようにするプロセスである。ここで、イ
ットリア微粒子の粒径は1.0μm以下が望ましい。微粒子
は、2種類以上の粒径の微粒子を混合してもよい。
【0022】次に、コーテイングは、母材に均一に、
膜厚が5〜10μmになるように塗布するプロセスである。
この膜厚は必要に応じて、これよりも薄くしてもよい
し、厚くしてよい。塗布方法の一例を図3に示す。石英
ガラス管4の片側にスポイト3を取り付けて、反対側を
コーテイング液5に浸して、溶液を吸引する。吸引後、
溶液から石英ガラス管を離して、石英ガラス管の溶液を
落下させる。これにより、石英ガラス管内面に均一に溶
液を付着させることが出来る。
【0023】このような方法により、管内面に塗布する
ことができるが、均一な膜が形成できるならば、本方法
以外の他の塗布方法によってもよい。
【0024】室温乾燥は、コーテイング後に膜を乾燥
させるプロセスであり、通常1〜2日間の乾燥を行う。
また、第一焼成は、シリカ系アルコキシドを十分に加
水分解、重縮合反応をさせるために、大気中にて500〜8
00℃に加熱し、10分から2時間程度保持するプロセスで
ある。このプロセスにおいて、膜中に含まれる有機化合
物が分解除去される。
【0025】第二焼成は、真空中又は不活性ガス中に
て、加熱温度が1100〜1400℃、保持時間が1〜10時間の
高温焼成プロセスである。この加熱により、イットリア
(Y2O3)微粒子と珪酸(SiO2)とを反応させて、複合酸
化物を生成させることにより、イットリアの十分な焼成
が得られる。複合酸化物の例としては、Y2SiO5などがあ
げられる。また、加熱条件によって、膜の成分としてイ
ットリア(Y2O3)或いは珪酸(SiO2)が一部存在するこ
とがある。
【0026】基本的に複合酸化物を主成分として、イッ
トリア(Y2O3)又は珪酸(SiO2)のいずれか、又は両方
を含有する成分から成る耐食膜を形成する。
【0027】実施例1 イットリア微粒子(粒径;約0.5μm)とシリカ系アルコ
キシドの混合溶液を調整して、石英ガラスに塗布した。
ここで、イットリア微粒子の重量とSiO2量の比率は20%
であった。混合溶液を塗布後、常温で1日間乾燥させ
た。第一焼成として700℃、1時間の加熱処理を大気中
で行った。その後、第二焼成として1100℃、1時間の加
熱処理を真空中で行った。焼成後に膜を観察した結果、
膜厚約7μmで、クラックのない膜が形成されていること
を確認した。このときの生成膜のX線回折結果を図4に
示す。図4において、縦軸はX線強度を、また横軸は回
折角を示している。これらの結果より、複合酸化物とし
てY2SiO5が観察される。また、その他にYO1.458,Y2O3が
存在していることがわかる。YO1.458の形態としてはY2O
2.916となり、通常のイットリアY2O3と比較すると、結
合している酸素量が少ない状態(酸素欠損状態)の酸化
物であることがわかる。これは複合酸化物が生成された
ことに起因しているものと考えられる。
【0028】実施例2 イットリア微粒子(粒径;約0.05μm)とシリカ系アル
コキシドの混合溶液を調整して、上記の実施例1と同様
に石英ガラスへ塗布した。第一焼成(大気中)及び第二
焼成(真空中)の条件は実施例1と同様である。形成さ
れた膜は、複合酸化物Y2Si2O7を主成分としており、そ
の他に実施例1で同定されたY2SiO5、酸素欠損状態のイ
ットリウム酸化物が存在していた。
【0029】実施例3 イットリア微粒子(粒径;約0.5μm)とイットリア微粒
子(粒径;約0.05μm)とを重量比で3:7の割合で混合
して溶液を調整し、実施例1と同様に石英ガラスへ塗布
した。第一焼成(大気中)及び第二焼成(真空中)の条
件は実施例1と同様である。
【0030】形成された膜は、複合酸化物Y2Si2O7,Y2Si
O5を主成分としており、その他にイットリア、或いは酸
素欠損状態のイットリウム酸化物が観察された。
【0031】このように、いずれの実施例においてもイ
ットリア微粒子とシリカ系アルコキシドの混合溶液を調
整して、常温乾燥−第一焼成(大気中)−第二焼成(真
空中)の各プロセスを行うことにより、イットリウム
(Y)と珪素(Si)から成る複合酸化物を主成分とする
膜が得られることが示された。
【0032】
【発明の効果】請求項1による透光性セラミックスによ
れば、発光管母材として石英ガラスを使用し、その内面
にイットリウムと珪素からなる複合酸化物を主成分とす
る耐食膜を形成させるため、より長寿命の発光管が得ら
れる。
【0033】請求項2による透光セラミックスの製造方
法によれば、イットリアとシリカ系アルコキシドの混合
溶液を用いたゾルゲル法を適用することにより、低コス
トで簡便な方法による耐食膜を形成した透光性セラミッ
クスが製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による透光性セラミックスの断面構造を
示す図である。
【図2】本発明による透光性セラミックスの製造フロー
を示す図である。
【図3】発光管内面に膜を形成させる方法の一例を示す
図である。
【図4】本発明により形成された耐食膜のX線回折結果
を示す図である。
【符号の説明】
1…耐食膜、2…発光管母材、3…スポイト、4…石英
管、5…コーテイング液、6…ビーカー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 一成 茨城県日立市幸町三丁目2番1号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 吉田 寿美 茨城県日立市幸町三丁目2番1号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 星野 国義 茨城県日立市幸町三丁目2番1号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 小野 正博 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立事業所内 Fターム(参考) 4G059 AA07 AC18 EA07 EB05 EB09

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発光管の内面に耐食膜を形成して成る透
    光性セラミックスにおいて、当該発光管における母材が
    石英ガラス又は合成石英ガラスから成ること、また当該
    耐食膜が少なくともイットリウム及び珪素から成る複合
    酸化物を含み、かつイットリウム又は珪素の酸化物のい
    ずれか、又は両方を含む膜で構成されることを特徴とす
    る透光性セラミックス。
  2. 【請求項2】 発光管の内面に耐食膜を形成して成る透
    光性セラミックスで、当該発光管の内面に耐食膜を形成
    させる製造方法において、イットリア粒子とシリカ系ア
    ルコキシドを混合して溶液を調整するプロセス、当該溶
    液を発光管内面にコーテイングするプロセス、コーテイ
    ング後常温で乾燥後大気中で焼成するプロセス、並びに
    真空又は不活性ガス中において焼成するプロセスから構
    成されることを特徴とする透光性セラミックスの製造方
    法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6506499B1 (en) * 1996-11-04 2003-01-14 The Boeing Company Silicon-yttrium sol coating of metals
JP2005314203A (ja) * 2004-04-01 2005-11-10 Narumi China Corp 耐衝撃性陶磁器

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