JP2005340196A - アーク放電管およびアーク放電管を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全透過率の高いアーク放電管ならびにその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックボディが４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域で９２％よりも高い全透過率を有する。焼結された窒化アルミニウムのセラミックボディを形成し、セラミックボディの全透過率を４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域で９２％よりも高くさせる温度および時間で窒素雰囲気においてセラミックボディをアニールする。
【選択図】なし

Description

本発明は、アーク放電管およびアーク放電管を製造する方法に関する。

半透明な多結晶アルミナ（ＰＣＡ）セラミックは今日に高圧ナトリウム（ＨＰＳ）ランプおよびセラミックメタルハライドランプを実現した。ＨＰＳランプでは典型的な壁温はアーク放電管の中央部において１２５０℃であり、またコールドエンドにおいて８００℃である。典型的にはＨＰＳランプの動作寿命は５年を上回る。これとは対照的に、セラミックメタルハライドランプ８におけるアーク放電管の壁温（１０００〜１１５０℃）はＨＰＳランプにおける壁温よりも幾分低くなる傾向があるにもかかわらず、ランプの動作寿命は典型的には１年未満である。この原因はＰＣＡがメタルハライドランプの希土類ハライド封入物によって腐食されることにある。したがって、そのようなランプの耐久性および寿命はＨＰＳ ＰＣＡランプよりも遙かに短い。

セラミックメタルハライドランプのためのＰＣＡ放電管の構造は円柱状の形状からバルジ状の形状にわたる。この種のアーク放電ランプは公知である（例えば特許文献１および特許文献２を参照されたい）。バルジ状の形状はより均一な温度分布をもたらし、その結果ランプ封入物によるＰＣＡの腐食は低減される。しかしながら腐食が低減されるとしても、バルジ状に形成されているＰＣＡ放電管を有するメタルハライドランプの動作寿命は２年になると報告されており、これは依然としてＨＰＳランプにおけるＰＣＡアーク放電管の５年という動作寿命に比べて遙かに短いものである。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は希土類メタルハライド封入物の腐食作用に対してより耐性があることを示した。セラミックメタルハライドランプに対してＡｌＮアーク放電管を使用することが公知である（例えば特許文献３および特許文献４を参照されたい）。しかしながらランプの用途に関する要求を満たすために、ＡｌＮを完全に密で高透過性の成形品にすることは困難である。ＡｌＮは六方晶系のウルツ鉱型構造を有する。ＡｌＮ粒子の異方性、焼結助剤（カルシア、ＣａＯ）から派生する粒界相（Ｃａ−Ａｌ−Ｏ相、窒素を含有するカルシウムアルミン酸塩相、およびＡｌ−Ｏ相、例えばＡｌ_２Ｏ_３およびＡｌ_２ＣＯ）およびＡｌＮ粉末における表面酸化物に基づき、完全に密に焼結されたＡｌＮセラミックは半透明であるだけであって透明ではない。焼結されたままのＡｌＮアーク放電管の全透過率および直線透過率（in-line transmittance）の値（それぞれ〜７５％および０．２％）は一般的にＰＣＡ発光管の値（それぞれ〜９８から９９％および８％）よりも低い。直線透過率は屋外照明または屋内照明、広域照明のような広汎照明には関係ない。しかしながら全透過率が低いということは大きな関心事である。何故ならば、それはルーメン出力に多大な影響を及ぼすからである。アーク放電管では典型的に、商用的な照明の用途に使用できるようにするために、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視波長で９２％よりも高い全透過率が要求される。
ＥＰ０５８７２３８Ａ１ ＵＳ５，９３６，３５１ ＥＰ０３７１３１５Ａ１ ＷＯ０３／０６０９５２

したがって本発明の課題は、上記の要求を満たすべく全透過率の高いアーク放電管ならびにその製造方法を提供することである。

請求項１にかかる発明の課題は、セラミックボディが４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域で９２％よりも高い全透過率を有することによって解決される。請求項６にかかる発明の課題は、焼結された窒化アルミニウムのセラミックボディを形成し、セラミックボディの全透過率を４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域で９２％よりも高くさせる温度および時間で窒素雰囲気においてセラミックボディをアニールすることによって解決される。請求項１１にかかる発明の課題は、焼結された窒化アルミニウムのセラミックボディを形成し、セラミックボディを窒素雰囲気において少なくとも１８５０℃で少なくとも５０時間にわたりアニールすることによって解決される。請求項１９にかかる発明の課題は、カルシア焼結助剤を包含する窒化アルミニウム粉末を焼結してセラミックボディを形成し、セラミックボディを窒素雰囲気において少なくとも１８５０℃で少なくとも６０時間にわたりアニールすることによって解決される。

焼結されたままのＡｌＮ放電管を窒素においてアニールすることによって、全透過率が高いＡｌＮアーク放電管を形成できることが分かった。殊に、窒素における二次焼結高温アニールは焼結されたＡｌＮ放電管の全透過率をランプの使用に適したレベルの９２％より高く効果的に上昇させることができる。さらに有利には、本発明のアーク放電管の全透過率は少なくとも約９５％であり、より有利には少なくとも約９８％である。

アニールの間に、焼結されたＡｌＮの粒子サイズは僅かに大きくなり、また全てのＡｌＮセラミクスにおける主要な不純物である酸素不純物は外方拡散されて効果的に除去される。このことは焼結されたＡｌＮの典型的な茶色変色が消えることによって証明される。アニール雰囲気の温度、時間および酸素の部分圧は全透過率が改善されるように制御される。有利には、焼結されたＡｌＮは流動する高純度の窒化ガス内でアニールされる。全透過率の値が高い（９２％より大きい）アニールされたＡｌＮ放電管は例えばメタルハライドランプのような用途に有用であり、またＰＣＡを上回る改善された耐久性および寿命を提供する。

ＡｌＮアーク放電管はスリップ鋳込み、射出成形、押出しブロー成形、ゲル鋳込みまたはＡｌＮ粉末または顆粒の圧縮／機械加工成形によって形成することができる。図１は本発明によるアーク放電管の断面図を示す。アーク放電管２１はセラミックボディ２３を有し、このセラミックボディ２３は焼結されたＡｌＮから構成されている。セラミックボディ２３は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長領域において９２％よりも高い全過率を有する。セラミックボディ２３はアーク放電キャビティ２５を規定し、またこのアーク放電キャビティ２５から反対方向で外側に向かって延びる２つの細管２７を有する。細管２７は放電キャビティ内でアークを発生させ、それを維持するために放電管に電力を供給する導電路を提供する電極装置（図示せず）を収容し、内部でシールすることに適している。図１に示した実施形態はバルジ状の形状を有するアーク放電管であるが、本発明のアーク放電管のための他の適切な形状にはＨＰＳ発光管に類似する管状のアーク放電管が含まれる。

細かく分割されたＡｌＮ粉末、例えば商用ＡｌＮセラミックにおいて使用されているような粉末（ＦグレードおよびＨグレード）は株式会社トクヤマ（東京、日本）から入手可能である。焼結は典型的には窒素のもとで１時間から５時間にわたり１７００℃から１９００℃の温度で達成される。有利には、約０．２重量パーセントから約５重量パーセントのカルシアの焼結助剤が未加工の成形体を形成する前にＡｌＮ粉末に加えられる。例えばN. Kuramoto, H. TaniguchiおよびI. Asoによる「Development of translucent AlN ceramics」Cer. Bull. 68[4], 1989年 の８８３〜８８７頁には、焼結助剤として２．１重量パーセントの３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３（または１．３重量パーセントのＣａＯ）を使用することが記載されている。

次いで焼結されたままのＡｌＮ放電管は、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視波長領域で全透過率を９２％より高くするには十分な温度および時間で窒素雰囲気においてアニールされる。有利には、焼結されたままのＡｌＮ放電管は少なくとも約１８５０℃の温度でアニールされる。さらに有利には、アニール温度は約１８５０℃から約１９５０℃である。約１９５０℃を上回る温度ではＡｌＮが気化し始めて放電管を損傷させる。約１８５０℃を下回る温度では、たとえアニール時間を長くしたとしても高い全透過率値を得ることは困難である。例えば実験によって、高い全透過率を得るために６０時間にわたる１８００℃でのアニールは十分ではないが、これに対し６０時間にわたる１８５０℃でのアニールは十分であることが証明された。有利には、焼結されたままのＡｌＮ放電管は少なくとも約５０時間、さらに有利には少なくとも約６０時間、より有利には少なくとも約１００時間にわたりアニールされる。

本発明をより完全に説明すると、一連の焼結されたＡｌＮ管区間はカルシア焼結助剤を包含するＡｌＮ粉末から形成された。ＡｌＮ管区間の大部分は８．６ｍｍＯＤ（８ｍｍＩＤ）×１２ｍｍ長であり、また０．３ｍｍの壁厚を有する。ＡｌＮ管区間の一部は０．５ｍｍまたは０．８ｍｍの壁厚を有する。焼結されたままのＡｌＮ管は一般に薄い茶色変色を有することが観察された。直線透過率の測定は光ビームが管試料（両壁）を通過することによって行われるか、また正透過光（specular, transmitted light）を測定することにより行われる。そのようにして測定された、焼結されたままのＡｌＮ管区間の直線透過率値（０．１から０．２％）は一般的なＰＣＡ発光管の直線透過率値（４から１０％）よりも明らかに低いが、一般的な照明の用途にとってはクリティカルではないと考えられる。さらに直線透過率は粒子サイズの拡大、第二相の低減、および表面平滑性の改善によって改善することができる。焼結されたままのＡｌＮ管に関する主な問題は約６７％〜８４％の範囲にある全透過率の低さであった。前述したように、全透過率はランプの用途に適するために９２％よりも高いことが必要とされる。

ＡｌＮ管区間の全透過率は直径の小さい（０．５ｍｍ）のプラスチック光ファイバの端部を管内に配置して、試料を通過した光の総積分フラックスを測定することによって測定される。全透過率を測定するための装置の概略図が図２に示されている。発光管試料１１は支持体９を介して積分球３の中央領域に配置されており、この支持体９は端部において試料を保持する。バッフル１３が試料１１と光検出器１５との間に設けられている。光ファイバ７が支持体９の一方を介して試料１１の中央部に挿入されている。光はタングステンハロゲンランプ５から光ファイバ７を介して誘導される。図３に示されているように、試料の内部に位置している光ファイバ７の光放出端部１７は、放出される光を散乱させほぼ点源である光源を生じさせるためにファイバの円柱状の軸について２０°の傾斜を有する。試料壁を通過する光ファイバの端部からの放出光は積分球によって収集され、総積分フラックスが光検出器、有利には未濾シリコン検出器によって測定される。（光ファイバのみによって放出される総積分フラックスに対して）試料を通過して放出される総積分フラックスの百分率は試料の全透過率を表す。プラスチック光ファイバの透過率は可視スペクトルのいずれかの限界において、すなわち４００ｎｍよりも低いスペクトルおよび７００ｎｍよりも大きいスペクトルにおいては低下するので、全透過率は約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長領域において効果的に測定される。装置のための適切な構成素子はNorth Sutton, NHのLabsphere, Inc.から入手可能である。

ＡｌＮにおける酸素溶解度の限界は非常に高いと報告されており（窒素部分格子で〜４．２ at. ％）：例えば２×１０^２１酸素原子／ｃｍ^３であり、他方ＡｌＮにおける窒素原子の密度は４．８×１０^２２原子／ｃｍ^３であった。ＡｌＮに溶解している酸素は〜４３０ｎｍでの吸収につながり、また２７４ｎｍおよび２５８ｎｍでも同様である。酸素不純物は焼結されたままのＡｌＮ管の光吸収において重要な役割を担っていると考えられている。ＡｌＮの非科学量論に基づく窒素空格子点は２３３ｎｍから３４５ｎｍの広範な吸収をもたらすことも知られている。

炭素はＡｌＮにおいて酸素に次ぐ重要な不純物であると考えられている。酸素と同様に、ＡｌＮにおけるＣの溶解度の限界は高い。ＡｌＮにおける酸素と共に炭素は第二相、Ａｌ_２ＣＯを形成し、これは焼結されたままのＡｌＮ管内に存在すると考えられる。炭素はＡｌＮにおいてＡｌに代替されやすいものであり、これによりＡｌ空格子点が生じる。ＣはＯまたはＮ（Ｏ^−２またはＮ^−３）よりも小さいので、ＡｌＮにおいて炭素は酸素または窒素よりも速く拡散するはずである。酸素不純物および炭素不純物が外方拡散されると、これらの不純物は空格子点を残すので、この空孔子点は窒素またはアルミニウムで満たされるべきである。このことはＯおよびＡｌが去るとＮおよびＡｌはそこに移動できることを意味している。Ｃ，Ｎ，ＯおよびＡｌの間ではまず間違いなくＮが最も遅い速度で拡散するので、したがってＮはＡｌ：Ｎ比の不純物外方拡散または調節に関して速度制限的な化学種である（化学量論性）。焼結されたままのＡｌＮ管の比較的高いＵＶ遮断は部分的に炭素不純物に起因するとも考えられる。

本発明の方法によれば、焼結されたままのＡｌＮ管の全透過率は、窒素雰囲気における二次焼結アニールを実施することによって９２％よりも高くすることができる。１つの実施形態において二次焼結アニールは、焼結されたままのＡｌＮアーク管を黒鉛エレメントの炉において窒素を流しながら約７２時間にわたり約１８５０℃で加熱することを含む。二次焼結アニールの間に、不純物溶質（ＯおよびＣ）、不純物または第二相、例えばＡＬ_２Ｏ_３およびＡＬ_２ＣＯ，Ｃａ−Ａｌ−ＯおよびＣａ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ固相または液相は（例えばＡｌ_２Ｏガスの発生によって）ＡｌＮから蒸留または清浄される。アニール雰囲気の温度、時間および酸素の部分圧は光吸収点欠陥および不純物（例えば酸素および炭素）が除去されるように制御される。有利には窒素雰囲気は、酸素が約１ｐｐｍよりも少ない流動する高純度の窒素ガスである。

種々の焼結されたままＡｌＮ管試料が、全透過率でのアニール温度、時間および雰囲気の効果を求めるために種々の二次焼結アニール条件に晒された。表１に示されているように、ＡｌＮ管試料の全透過率は二次焼結アニール前に６７〜８４％であったが、二次焼結アニール後に９１〜９９％に上昇した。アニール後ではこれらのＡｌＮ管区間は焼結されたままのＡｌＮの薄い茶色変色をもはや有していない。これらの試料に対して達成される全透過率のレベル（９１〜９９％）は同一の装置において測定された同一の長さのＰＣＡ管区間のレベル（９５〜９７％）に近づいた。粒子サイズは黒鉛成分の炉の黒鉛ボートにおいてＮ_２を流しながら７２時間にわたり１８５０℃でアニールした後に僅かに大きくなった。さらにアニールすると（１８５０℃で延べ６０時間から１３２時間）、ＡｌＮ管試料１から５の全透過率は９５％から９９％に達し、一方〜１８８５℃から１９００℃で６０時間から１８０時間にわたりアニールした試料６から１５の全透過率は９１％から９５％に達した。実験によって、６０時間にわたる１８５０℃でのアニールは全透過率を９２％よりも高くするには十分であることが証明されたので、アニール時間は少なくとも約５０時間であることが好ましい。

１８５０℃以上の温度では焼結助剤から派生するＣａ−Ａｌ−ＯおよびＣａ−Ａｌ−Ｏ−Ｎの第二相は、焼結されたＡｌＮにおける酸素の優先的な減少と共にＡｌＮから蒸発する。第二相の変化はＡｌＮ粒子内に溶解している酸素不純物および炭素不純物を結晶粒界相へと外方拡散させることができ、これらの不純物はその後ＡｌＮ管から蒸発することになる。１８５０℃よりも低い温度でアニールを行うと液相のレベルは比較的小さくなり、粒子は著しく大きくはならなかった。１８５０℃よりも低い温度での緩慢な動力学に基づき、仮に炭素不純物および酸素不純物の外方拡散を完遂するならば、それにはより長い時間を必要とすることが予想される。例えば別の実験では、６０時間にわたる１８００℃でのアニールは全透過率を効果的に高めるためには十分ではなく、一方６０時間にわたる１８５０℃でのアニールは十分であることが証明された。

表１におけるデータは二次焼結アニールの有益性をランプの用途に必要とされる最小レベルへの全透過率の上昇という形ではっきりと示している。アニールの間に窒素の圧力をより高くすることは、改善された全透過率をもたらすためのアニールに必要とされる時間を短縮させることができる。表１における例はカルシアドープされたＡｌＮに基づく。この方法は他の希土類およびアルカリ土類の酸化物の焼結助剤を用いて形成される焼結されたＡｌＮにも適用できることが予想される。もっとも二次焼結アニールの時間および温度に関する条件は外方拡散プロセスの動力学におけるあらゆる差を考慮して修正する必要はあるであろう。

目下本発明の有利な実施形態と見なされるものを図示して説明したが、付属の特許請求の範囲によって規定されている本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更および修正が可能であることは当業者には明らかである。

本発明によるアーク放電管の断面図。 アーク放電管の全透過率を測定するために使用される装置の概略図。 図２に示した装置に使用される光ファイバの傾斜端部の拡大図。

Claims (21)

1. 焼結された窒化アルミニウムからなるセラミックボディを包含するアーク放電管において、
   前記セラミックボディは４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域で９２％よりも高い全透過率を有することを特徴とする、アーク放電管。
2. 前記セラミックボディは少なくとも９５％の全透過率を有する、請求項１記載のアーク放電管。
3. 前記セラミックボディは少なくとも９８％の全透過率を有する、請求項１記載のアーク放電管。
4. 前記セラミックボディはバルジ状の形状を有する、請求項１記載のアーク放電管。
5. 前記セラミックボディは管状の形状を有する、請求項１記載のアーク放電管。
6. セラミックボディを有するアーク放電管を製造する方法において、
   焼結された窒化アルミニウムのセラミックボディを形成し、
   前記セラミックボディの全透過率を４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域で９２％よりも高くさせる温度および時間で窒素雰囲気において、該セラミックボディをアニールすることを特徴とする、アーク放電管を製造する方法。
7. 前記全透過率を少なくとも９５％に高める、請求項６記載の方法。
8. 前記全透過率を少なくとも９８％に高める、請求項６記載の方法。
9. 焼結された窒化アルミニウムの前記セラミックボディをカルシア焼結助剤を用いて形成する、請求項６記載の方法。
10. 前記セラミックボディの形成に先行して前記窒化アルミニウムに加えられる前記カルシア焼結助剤の量は０．２重量パーセントから５重量パーセントである、請求項９記載の方法。
11. セラミックボディを有するアーク放電管を製造する方法において、
    焼結された窒化アルミニウムのセラミックボディを形成し、
    前記セラミックボディを窒素雰囲気において少なくとも１８５０℃で少なくとも５０時間にわたりアニールすることを特徴とする、アーク放電管を製造する方法。
12. 前記セラミックボディを少なくとも６０時間にわたりアニールする、請求項１１記載の方法。
13. 前記セラミックボディを少なくとも１００時間にわたりアニールする、請求項１１記載の方法。
14. 前記セラミックボディを１８５０℃から１９５０℃でアニールする、請求項１１記載の方法。
15. 前記セラミックボディを少なくとも６０時間にわたりアニールする、請求項１４記載の方法。
16. 前記セラミックボディを少なくとも１００時間にわたりアニールする、請求項１４記載の方法。
17. 焼結された窒化アルミニウムの前記セラミックボディをカルシア焼結助剤を用いて形成する、請求項１１記載の方法。
18. 前記セラミックボディの形成に先行して前記窒化アルミニウムに加えられる前記カルシア焼結助剤の量は０．２重量パーセントから５重量パーセントである、請求項１７記載の方法。
19. セラミックボディを有するアーク放電管を製造する方法において、
    カルシア焼結助剤を含有する窒化アルミニウム粉末を焼結して前記セラミックボディを形成し、前記セラミックボディを窒素雰囲気において少なくとも１８５０℃で少なくとも６０時間にわたりアニールすることを特徴とする、アーク放電管を製造する方法。
20. 前記セラミックボディを少なくとも１００時間にわたりアニールする、請求項１９記載の方法。
21. 前記窒化アルミニウム粉末内の前記カルシア焼結助剤の量は０．２重量パーセントから５重量パーセントである、請求項１９記載の方法。

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