JP2005267960A

JP2005267960A - 接合体、発光容器および高圧放電灯用組み立て体

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Publication number: JP2005267960A
Application number: JP2004076464A
Authority: JP
Inventors: Tokuichi Niimi; 徳一新見
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP4158976B2

Abstract

【課題】少なくとも接合面がサファイアからなる第一の部材と、少なくとも接合面が多結晶アルミナ焼結体からなる第二の部材との接合体において、熱応力に対する耐久性、信頼性を向上させる。
【解決手段】接合体１７は、少なくとも接合面６ａがサファイアからなる第一の部材６、および少なくとも接合面１３ａが多結晶アルミナ焼結体からなる第二の部材１３を備えている。第一の部材６と第二の部材１３とは接しており、第二の部材１３の接合面１３ａ近傍の平均粒径が２μｍ以上、８μｍ以下であり、多結晶アルミナの全光線透過率が８０％以上である。
【選択図】図３

Description

本発明は、接合体、発光容器および高圧放電灯用組み立て体に関するものである。

自動車用ヘッドライトとして、石英製の放電管を使用した高圧放電灯が、その明るさや発光効率の高さのために、広く使用されてきている。このような石英管を用いた放電灯は、放電管が透明であるため、放電管内の発光ガスによる発光部をそのまま放電灯の点光源として扱うことができる。

本出願人は、特許文献１において、半透明の透光性アルミナからなる放電管の両端の開校にモリブデン製のパイプを挿入し、パイプと放電管とを接合することを開示した。
特開２００１−７６６７７号公報

特許文献１の放電灯は、例えば自動車ヘッドランプ用の疑似点光源として利用されるものである。しかし、自動車ヘッドランプやプロジェクター用ランプの分野では、透明な放電管を使用した放電灯の需要もある。
特許文献２、３には、サファイア製発光管と多結晶アルミナ質のエンドキャップとをモノリシックシールする方法が開示されている。
特表２００１−５１９９６９号公報特開２００３−１５７７９８号公報

特許文献２記載の方法では、サファイア製発光管と多結晶アルミナ質のエンドキャップとを固相反応によって接合している。しかし、本発明者がこの接合体を検討したところ、以下の問題点があることが分かった。即ち、本方法では、サファイアと多結晶アルミナとの接触面において多結晶アルミナが粒成長しやすい。この多結晶アルミナが、完全な単結晶（サファイア）になるまで成長することなく、その前に粒成長が停止すると、粗大なアルミナ粒子が接合界面に沿って残留する。この結果、本来ならば耐え得る領域での熱応力によって接合界面が破壊されてしまうことが分かった。

本発明の課題は、少なくとも接合面がサファイアからなる第一の部材と、少なくとも接合面が多結晶アルミナ焼結体からなる第二の部材との接合体において、熱応力に対する耐久性、信頼性を向上させることである。

本発明は、少なくとも接合面がサファイアからなる第一の部材、および少なくとも接合面が多結晶アルミナ焼結体からなる第二の部材を備えている接合体であって、前記第一の部材と前記第二の部材とが接しており、第二の部材の接合面近傍の平均粒径が１μｍ以上、８μｍ以下であり、多結晶アルミナ焼結体の全光線透過率が８０％以上であることを特徴とする。

特許文献２、３記載のような従来技術においては、放電管がサファイア製であり、エンドキャップが多結晶アルミナ焼結体製である場合には、多結晶アルミナを焼結させかつサファイアに接合させる際に、多結晶アルミナがサファイアとの界面付近において界面反応によって粒成長することが、接合強度の向上に不可欠であり、多結晶アルミナの平均粒径は大きい方が好ましいと考えられていた。しかし、本発明者が検討したところ、多結晶アルミナ焼結体が完全な単結晶（サファイア）になるまで成長することなく、その前に粒成長が停止すると、粗大なアルミナ粒子が接合界面に沿って残留し、接合部分が熱衝撃によって破壊しやすくなることを発見した。

このような発見に基づき、多結晶アルミナ焼結体の透光性を保持しつつ、そのサファイアとの接合面近傍における粒成長を抑制することによって、かえって接合部分の熱衝撃に対する耐久性、信頼性が向上することを発見し、本発明に到達した。

多結晶アルミナ焼結体のサファイアとの接合面の近傍における平均粒径が小さく、すなわち本発明におけるように８μｍ以下であるということは、特許文献２、３の知見に従えば、界面反応が不十分であって、接合部分における接合強度や熱衝撃に対する耐久性は低いはずであるが、事実は逆であった。

第一の部材の全体がサファイアからなっていることが好ましいが、少なくとも接合面にサファイアが露出していればよい。また、第二の部材の全体が多結晶アルミナ焼結体からなっていることが好ましいが、少なくとも接合面に多結晶アルミナ焼結体が露出していればよい。

第二の部材の接合面近傍の平均粒径は１μｍ以上、８μｍ以下である。この平均粒径はインターセプト法によって測定する。また接合面近傍とは、接合面から５０μｍの範囲内を指す。本発明の観点からは、第二の部材の接合面近傍の平均粒径は、６μｍ以下とすることが更に好ましい。一方、この平均粒径が１μｍ未満であると、透光性が低下し、また接合部分信頼性が低下する傾向があるので、平均粒径を１μｍ以上とする。また、本発明においては、多結晶アルミナ焼結体の全光線透過率は８０％以上とする。

第一の部材と第二の部材との接合温度は、１７３０℃以下とすることが好ましく、これによって、接合界面におけるクラックを抑制し、接合強度を高くできる。この観点からは、接合温度は、１７００℃以下であることが更に好ましい。

第一の部材と第二の部材との接合温度の下限は特にないが、通常は１３００℃以上であることが好ましく、１４００℃以上であることが更に好ましい。これによって、接合部界面の反応性を確保することができる。

第二の部材の接合面近傍における多結晶アルミナ焼結体の平均粒径を８μｍ以下に制御し、かつその全光線透過率を８０％以上とするためには、通常の透光性アルミナよりも粒成長が抑制されるような原料を用いる必要がある。

このような原料としては、例えば純度９９．９％以上（好ましくは９９．９５％以上）の高純度アルミナ粉末に対して、１５０〜１０００ｐｐｍの助剤を添加した原料が好ましい。また、高純度アルミナ粉末の一次粒子径は１．０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることが更に好ましい。

このような高純度アルミナ粉末としては、大明化学工業株式会社製の高純度アルミナ粉体「タイミクロンＴＭ−Ｄ」「タイミクロンＴＭ−ＤＲ」「タイミクロンＴＭ−ＤＡ」「タイミクロンＴＭ−ＤＡＲ」「タイミクロンＴＭ−５Ｄ」を例示できる。

前述した助剤としては、酸化マグネシウムが好ましいが、ZrO2, Y2O3,La2O3,
Sc2O3 も例示できる。助剤の添加量は、５００ｐｐｍ以下とすることが更に好ましい。

一例を挙げると、通常の透光性アルミナの場合には，１７３０℃×２時間の熱処理で平均粒径１５μｍ、１８８０℃×２時間の熱処理で平均粒径３０μｍ程度となる。これに対して、上述したような高純度アルミナ粉末に例えば２５０ｐｐｍの酸化マグネシウムを添加した原料を使用すると、１６００℃での熱処理で平均粒径２μｍ、１７００℃の熱処理で平均粒径４μｍ、１７５０℃の熱処理で平均粒径６μｍ程度となり、透光性を保持しつつ、粒成長が抑制される。

図１は、本発明の一実施形態に係る高圧放電灯１１、発光容器２０Ｂを模式的に示す縦断面図である。発光管２Ａは、一対の開口部２ａと、一対の開口部２ａによって挟まれた発光部２ｆとを備えている。本例の端部封止部材１４は、平板状部１４ａ、平板状部１４ａのエッジから突出する円環形状のフランジ部１４ｂ、および平板状部１４ａの中心から突出する電極保持部１４ｅを備えている。電極保持部１４ｅの内側の貫通孔１４ａには電極部材１６が挿入されており、その先端に電極１６ａが設けられている。封止部材１４の平板状部１４ａの接合面１４ｃが、放電管２Ａの端面２ｄに対して接している。また、封止部材１４のフランジ部１４ｂの接合面１４ｄが、放電管２Ａの端部外側面（接合面）２ｅに対して直接接しており、接合されている。

発光管２の内部空間３にはイオン化発光物質、始動ガスが封入されている。メタルハライド高圧放電灯の場合には、放電管の内部空間に、アルゴン・キセノン等の不活性ガスとメタルハライドとを封入し、更に必要に応じて水銀もしくは金属亜鉛を封入する。

図２の放電灯２１および発光容器２０Ｃにおいては、放電管２Ａと端部封止部材２４とが接合されている。本例の端部封止部材２４の平板状部２４ａには、円環形状の溝２４ｂが形成されており、反対側には電極保持部２４ｃが突出している。電極保持部２４ｃの内側の貫通孔２４ｆには電極部材１６が挿入されており、その先端に電極１６ａが設けられている。

溝２４ｂ内に、放電管２Ａの端部２ａが挿入されている。封止部材２４の溝２４ｂの内壁面（接合面）２４ｃに対して、放電管２Ａの外側面（接合面）２ｅが直接接しており、接合されている。

放電管と端部封止部材とを接合する際には、いわゆる焼き嵌めを行うことが好ましい。すなわち、端部封止部材用成形体を放電管の外側に設置して焼結させ、これによって端部封止部材から放電管の外側面へと向かって圧着力を生じさせる。

この実施形態においては、焼成工程において、端部封止部材用成形体を単独で焼成したときの焼結体の内径（放電管に対向する対向面の直径）よりも、放電管の外径が大きくなるようにする。これによって、焼成時に、端部封止部材から放電管外側面へと向かって径方向に圧着力が加わり、密着性および気密性が向上する。

この観点からは、放電管の内径ＲＯの、端部封止部材を単独で焼成したときの内径（放電管に対向する対向面の直径）ＲＩに対する対する比率（ＲＯ／ＲＩ）は、１．０１以上であることが好ましく、１．０３以上であることが特に好ましい。

（ＲＯ／ＲＩ）が大きくなりすぎると、接合部分にクラックが発生しやすくなる。この観点からは、（ＲＯ／ＲＩ）は、１．１９以下であることが好ましい。

電極部材１６は、支持部と、支持部の先端に設けられたコイル状の電極１６ａとを備えている。なお、本例では電極部材１６の先端にコイル１６ａを設けたが、コイル１６ａは必ずしも必要ない。

本例では、放電管２Ａを構成するサファイアのｃ軸（矢印Ｃ）と、放電管２の管軸Ｌとのなす角が１０°以下である。このように、サファイアからなる放電管のｃ軸を、放電管の管軸（中心軸）とほぼ同じ方向に整列させることによって、放電管と、放電管端部に固定される端部封止部材との界面付近において、サファイアのクラック発生率を著しく低減できる。この観点からは、放電管を構成するサファイアのｃ軸と、放電管の管軸とのなす角を５°以下とすることが更に好ましい。

いずれの例においても、発光管の内部空間３にはイオン化発光物質、始動ガスが封入されている。メタルハライド高圧放電灯の場合には、放電管の内部空間に、アルゴン・キセノン等の不活性ガスとメタルハライドとを封入し、更に必要に応じて水銀もしくは金属亜鉛を封入する。

放電用電極の材質は限定されないが、タングステン、モリブデン、ニオブ、レニウムおよびタンタルからなる群より選ばれた純金属が好ましく、あるいはタングステン、モリブデン、ニオブ、レニウムおよびタンタルからなる群より選ばれた二種以上の金属の合金が好ましい。また、これらの純金属または合金とセラミックスとの複合材料が好ましい。

本発明においては、更に封止剤を併用することができる。封止材は、例えば電極部材１６の封止に利用できる。この際には、封止材の種類は特に限定されない。好適な実施形態においては、封止材が、希土類元素とアルミニウムと珪素とを含む酸化物または酸窒化物からなる。ここで、封止材が、実質的に希土類元素、アルミニウムおよび珪素からなる酸化物であってよい。あるいは、更に窒素原子を含んでいても良い。

具体的には、封止材の原料が、希土類酸化物、アルミナおよび珪素化合物を含有しており、更に窒化物を含有していてよい。

希土類酸化物は、サマリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウムおよびルテチウムからなる群より選ばれた一種以上の元素の酸化物である。特に好ましくは、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３またはＴｍ_２Ｏ_３である。

珪素化合物としては、酸化珪素、窒化珪素、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）を例示できる。窒化物としては、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素を例示できる。

好適な実施形態においては、封止材が、以下の原料組成を有する混合物である。
組成（Ａ）
希土類酸化物：１５ｍｏｌ％以上、７０ｍｏｌ％以下
（特に好ましくは２０ｍｏｌ％以上、あるいは、６０ｍｏｌ％以下）
酸化珪素：３ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下
（特に好ましくは４ｍｏｌ％以上、あるいは、８ｍｏｌ％以下）
アルミナ：１０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下
（特に好ましくは１５ｍｏｌ％以上、あるいは、６０ｍｏｌ％以下）
原料組成（Ｂ）
希土類酸化物：１０ｍｏｌ％以上、３５ｍｏｌ％以下
（特に好ましくは１５ｍｏｌ％以上、あるいは、３０ｍｏｌ％以下）
酸化珪素：３ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下
（特に好ましくは４ｍｏｌ％以上、あるいは、９ｍｏｌ％以下）
アルミナ：７ｍｏｌ％以上、４０ｍｏｌ％以下
窒化物（窒化珪素含む）：８ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下

以下の組成系の原料が特に好ましい。
Ｄｙ_２Ｏ_３−Ｓｉ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３、Y_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３、Dy2O３−Al2O３，Dy2O3-Al2O3-Sc2O3
Ｄｙ_２Ｏ_３−Ｓｉ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｃ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓｉ_３Ｎ_４、Y_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓｉ_３Ｎ_４、
Ｄｙ_２Ｏ_３−Ｓｉ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＡｌＮ、Ｓｃ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＡｌＮ、Y_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＡｌＮ、
Y2O3-Al2O3-AlN-Si3N4
Dy2O3-Al2O3-AlN-Si3N4

本発明の高圧放電灯は、自動車用ヘッドランプ、ＯＨＰ（オーバーヘッドプロジェクター）、液晶プロジェクターなどの各種の照明装置に適用可能である。

また、本発明の接合体は、高圧放電灯以外には、真空等の開閉器など、すべての９００℃以上の高温下において気密性を要する導電部ないし端子を有する構造体の一部として幅広く応用できる。また、腐食性ガス、特にハロゲン系の腐食性ガスに対して曝露されるような用途に好適に使用できる。

（実験１）
図３（ｂ）に示すような接合体１７を製造した。ただし、円筒６をサファイアによって形成した。円筒１１の外径ＲＯは５ｍｍとする。一方、純度９９．９９％以上、一次粒子径０．１０μｍ、ＢＥＴ表面積１３．５ｍ^２／ｇ、タップ密度０．９ｇ／ｃｍ^３、焼結密度３．９５ｇ／ｃｍ^３の高純度アルミナ粉末に対して、２００ｐｐｍの酸化マグネシウム粉末を添加した。

この原料粉末にバインダーを添加し、図３（ａ）に示す成形体１２を得た。成形体１２の凹部１２ｂ内に円筒１１の端部を挿入し、凹部１２ｂの内壁面１２ａを円筒１１の外壁面１１ａに対して接触させた。成形体１２を単独で焼成したときの内径をＲＩとしたとき、ＲＯ／ＲＩが１．０４となるようにした。

図３（ａ）の組み立て体を、１７００℃で、１００％の乾燥水素ガス雰囲気中で１時間焼成し、図３（ｂ）に示すような透光性アルミナからなる端部封止部材１３を得た。端部封止部材１３の凹部１３ｂ内に円筒６の端部が挿入され、凹部１３ｂの内壁面１３ａから円筒６の外壁面６ａに対して圧着力が加わっている。

こうして得られた接合体１７において、端部封止部材の接合面１３ａ近傍の平均粒径を測定し、結果を表１に示す。

（実験２〜５）
実験１と同様にして接合体１７を作製した。ただし、アルミナ原料粉末の純度および一次粒子径、酸化マグネシウムの量、焼成温度、焼成時間を変更することによって、端部封止部材の接合面１３ａ近傍の平均粒径を変更した。

（測定）
各例の接合体について、ヘリウムリーク試験によって接合体のリークの有無を測定し、その結果を表１に示した。リーク量が１０^−１０ａｔｍ・ｃｃ・ｓｅｃ未満である試料を合格とした。各例について５個の試料を作製し、その合格率（％）を表１に示した。
また、スポーリング試験を実施し、その結果を表１に示した。すなわち、各試料を大気中で所定温度に加熱し、次いで試料を水中に投下する。この際、（大気下での加熱温度）−水温をΔＴ（℃）とする。そして、水中投下後に接合部分にクラックが発生した最小のΔＴを表１に示した。

この結果から分かるように、本発明に従うことによって、接合部分からのリークが抑制されるだけでなく、スポーリング試験における耐熱衝撃性が著しく向上することを発見した。

図４は、実施例３（接合面近傍における多結晶アルミナの平均粒径３μｍ）の試料の断面を示す走査型顕微鏡写真である。接合界面近傍において、多結晶アルミナ粒子の粒成長が抑制され、微細化していることが分かる。

本発明の一実施形態に係る発光容器２０Ｂおよび高圧放電灯用組み立て体１１の端部を概略的に示す断面図である。本発明の一実施形態に係る発光容器２０Ｃおよび高圧放電灯用組み立て体２１の端部を概略的に示す断面図である。（ａ）は、サファイア製の円筒６に、端部封止部材用成形体１２を固定した状態を概略的に示す断面図であり、（ｂ）は、焼き嵌めによって形成された接合体１７を概略的に示す断面図である。実施例３（接合面近傍における多結晶アルミナの平均粒径３μｍ）の試料の断面を示す走査型顕微鏡写真である。

符号の説明

２Ａ放電管（サファイアからなる第一の部材）２ｅ、６ａ、１３ａ、１４ｄ接合面４３放電空間６円筒（サファイアからなる第一の部材）１１、２１高圧放電灯用組み立て体１３、１４、２４端部封止部材（多結晶アルミナ焼結体からなる第二の部材）１７接合体２０Ｂ、２０Ｃ発光容器（接合体）

Claims

少なくとも接合面がサファイアからなる第一の部材、および少なくとも接合面が多結晶アルミナ焼結体からなる第二の部材を備えている接合体であって、
前記第一の部材と前記第二の部材とが直接接しており、前記第二の部材の前記接合面近傍の平均粒径が１μｍ以上、８μｍ以下であり、前記多結晶アルミナ焼結体の全光線透過率が８０％以上であることを特徴とする、接合体。
前記多結晶アルミナ焼結体が、１５０〜１０００ｐｐｍの酸化マグネシウムを含有する高純度アルミナ原料から生成していることを特徴とする、請求項１記載の接合体。
請求項１または２記載の接合体を備えており、前記第一の部材が、端部に開口が設けられている放電管であり、前記第二の部材が、前記放電管の端部に固定されている封止部材であることを特徴とする、発光容器。
前記放電管を構成するサファイアのｃ軸と、前記放電管の管軸とがなす角が１０°以下であることを特徴とする、請求項３記載の発光容器。
請求項３または４記載の発光容器、前記放電管の内部空間に設けられている電極、および前記封止部材内に設けられている導電体を備えていることを特徴とする、高圧放電灯用組み立て体。