JP2009259602A - 放電ランプ、封止材および製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶解性と熱膨張係数の両方を満足する封止材、この封止材を用いた発光管、さらには封止材の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック発光管1と、このセラミック発光管に電流を導入する栓体3と、セラミック発光管の開口部内側とこの開口部に装着される栓体外側面との間を封止する封止ガラス部7を備える放電ランプで、封止ガラス部7の組成が酸化物換算で20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2で、かつ、封止ガラスの200℃〜800℃における熱膨張係数が6.7〜7.5×10−6/℃である。
【選択図】図1
【解決手段】セラミック発光管1と、このセラミック発光管に電流を導入する栓体3と、セラミック発光管の開口部内側とこの開口部に装着される栓体外側面との間を封止する封止ガラス部7を備える放電ランプで、封止ガラス部7の組成が酸化物換算で20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2で、かつ、封止ガラスの200℃〜800℃における熱膨張係数が6.7〜7.5×10−6/℃である。
【選択図】図1
Description
本発明は、セラミック発光管を用いたメタルハライドランプ等の放電ランプ、この放電ランプの封止に用いる封止材および封止材の製造方法に関する。
セラミックメタルハライドランプは、図1に示す概略図のように、発光管1の2つのキャピラリー(細管)2の開口の一方が栓体3で封着された発光管1の内部に、水銀、金属沃化物等の発光物質4を投入し、その後、他方の開口にタングステン電極5に電気導通が取れた栓体3を挿入し、栓体3の回りにリング状の封止材6をセットし、加熱することで封止材6を溶融させて栓体3と発光管1との間隙に充填し、これを冷却して封止ガラス7として開口を気密に封止している。
前記栓体3に使用される素材は、発光管と熱膨張率が接近したニオブ金属、アルミナ−モリブデンサーメットもしくはアルミナ−タングステンサーメットが使用され、それら栓体の膨張係数は7.0〜7.6×10−6/℃である。
一方、一般的に封止用ガラスとして使用されているガラスの組成は、Dy2O3−SiO2−Al2O3の三成分系から構成され、熱膨張係数は5.8〜6.4×10−6/℃であり、膨張係数に乖離があったために、短期的あるいは長期的に封止部でクラックが入ることがあった。
特に、Al2O3−Dy2O3系ガラスは、発光物質に対する耐食性に優れたものであるから、広く利用されている。(例えば、特許文献1)
特に、Al2O3−Dy2O3系ガラスは、発光物質に対する耐食性に優れたものであるから、広く利用されている。(例えば、特許文献1)
一方、ガラス成分中に金属モリブデンもしくは酸化モリブデンを加え、サーメットとの濡れ性を改善したガラスが提案されている。(例えば、特許文献2)
この特許文献2では、サーメットの周囲に凝集もしくは付着し一種の緩衝材としての働きがクラック防止に好適に作用することを紹介している。
この特許文献2では、サーメットの周囲に凝集もしくは付着し一種の緩衝材としての働きがクラック防止に好適に作用することを紹介している。
特許文献1に開示されるガラス組成は、1450℃での液相線温度を持つ組成であることから、1500℃の温度にて密閉(溶融)できるとされている。また1600℃以上に加熱することは好ましくないと記載されている。
しかしながら特許文献1の場合には、溶融時間が短いと、特に低ワットの小型の発光管を封止するような場合には、封止後のガラス中に気泡などの欠陥が生じることがある。
しかしながら特許文献1の場合には、溶融時間が短いと、特に低ワットの小型の発光管を封止するような場合には、封止後のガラス中に気泡などの欠陥が生じることがある。
また、これらの欠陥をなくそうとして、図2のフローに示す如く、Al2O3−Dy2O3系ガラスの酸化物混合粉をガラスに一度溶解してガラス化した後に、再度粉砕、成形して目的とする封止用ガラスを作製することもよくなされている。
このような場合、溶解作業には1500℃〜1600℃程度と非常に高い温度が必要で、白金系坩堝を使用し、特殊な溶解装置が必要で、設備ならびに白金坩堝のメンテナンスを含め多大なコストと時間がかかる。
また成分中に酸化アルミニウムを含んだがガラスは、非常に硬く粉砕が困難で、目的とする粒度に粉砕するには、細かい粒子を分級する操作が必要であり、多大な手間と時間がかかり、ガラス化時に微細な気泡がガラス内に残存して、封止後のガラスに気泡が残存するおそれがある。
また1500℃〜1600℃の温度域で溶解できるガラスの組成も限られており、溶解作業を完全におこなうには、ガラス形成成分であるシリカを一定量以上入れる必要がある。このため元来熱膨張係数が低いシリカを減らすことができずサーメットやニオブに近似した熱膨張率を有するガラスを製作することが困難であった。
また1500℃〜1600℃の温度域で溶解できるガラスの組成も限られており、溶解作業を完全におこなうには、ガラス形成成分であるシリカを一定量以上入れる必要がある。このため元来熱膨張係数が低いシリカを減らすことができずサーメットやニオブに近似した熱膨張率を有するガラスを製作することが困難であった。
特許文献2に開示される組成の封止材にあっては、真空中におけるモリブデンの気化温度はガラスの他の成分より低く、ガラスの溶解温度に達するまでに気化、蒸発してしまう。このためモリブデンによるランプ封止装置の汚染が激しく、実用的なガラスではない。
従来にあっては封止用ガラスの熱膨張率を高めて発光管を構成するアルミナや電極を構成するニオブなどに近づけると、封止の際に封止用ガラスの作業温度が上昇し、封止用ガラスを溶融させて封入する際に、発光管内に既に封入している水銀や金属沃化物等の発光物質が蒸発してリークするおそれがあったが、最近では封入技術の進歩により、封入作業温度が高くなっても発光物質の蒸発を抑制できるようになっている。このため、新たな封止用ガラスの構成が可能になっている。
即ち、本発明は溶解性と熱膨張係数の両方を満足する封止材、この封止材を用いた発光管、さらには封止材の製造方法を提供することを目的とする。
即ち、本発明は溶解性と熱膨張係数の両方を満足する封止材、この封止材を用いた発光管、さらには封止材の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明は、セラミック発光管と、このセラミック発光管に電流を導入する栓体と、前記セラミック発光管の開口部内側とこの開口部に装着される前記栓体外側面との間を封止する封止ガラス部を備える放電ランプであって、前記封止ガラス部の組成が酸化物換算で20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2であり、かつ、前記封止ガラスの200℃〜800℃における熱膨張係数が6.7〜7.5×10−6/℃である。また、前記封止ガラスのガラス転位温度は900℃以上であることが好ましい。
また本発明に係る封止材は、リング状に成形されるとともに、組成が20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2で、且つ非晶質と結晶質の部分が混在する状態である。
更に、本発明に係る封止材の製造方法は、平均粒子径d50が0.5μm未満のAl2O3、平均粒子径d50が0.5μm未満のSiO2を、組成が酸化物換算で20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2となるように混合した後にこの混合粉末を成形し、1200〜1380℃で仮焼し、非晶質と結晶質の部分が混在する。
封着ガラスの熱膨張係数は発光管材料(Al2O3)および電極(Nb)の熱膨張係数に近く、好ましくは発光管材料(Al2O3)の熱膨張係数よりも若干小さいことが最も好ましいとされているが、本発明に係る放電ランプでは、封止ガラスの200℃〜800℃における熱膨張係数が6.7〜7.5×10−6/℃であるので、上記の最も好ましい範囲であり、ランプの寿命が大幅に向上する。
また、封止ガラスのガラス転位温度が900℃以上と高いため、封止部の高温耐久性が向上し、ランプの細菅2(図1参照)の長さを短くすることができ、ランプ全体として小型化を達成できる。
また、本発明に係る封止材(封止材の製造方法)によれば、封止材の製造工程で完全なガラス状態まで溶解させないため、従来よりも低温で処理することができ、設備も簡単で済む。
更に、組成が共晶点を有する組成ではないので、溶解温度は共晶点よりは若干高いものの1550℃の温度で十分封止材を溶かすことができるので、封止作業も効率よく行える。
以下に本発明の好適な形態について説明する。
原料には、純度99.9%以上のDy2O3、Al2O3、SiO2を使うことが望ましい。これは、不純物が起因して溶融時に発生するアウターガスや、発光管内に封入する発光物質である金属沃化物との反応がランプの性能を著しく低下させるためである。また、アウターガスが溶融ガラス内に残存し、結果的に発光管の封止部がポーラスなガラス組織となり、発光管内の封入物質が徐々に発光管外へ抜けるスローリークなど長期信頼性に悪い影響を及ぼすためである。
原料には、純度99.9%以上のDy2O3、Al2O3、SiO2を使うことが望ましい。これは、不純物が起因して溶融時に発生するアウターガスや、発光管内に封入する発光物質である金属沃化物との反応がランプの性能を著しく低下させるためである。また、アウターガスが溶融ガラス内に残存し、結果的に発光管の封止部がポーラスなガラス組織となり、発光管内の封入物質が徐々に発光管外へ抜けるスローリークなど長期信頼性に悪い影響を及ぼすためである。
また、原料には、Al2O3で平均粒径が0.5μm未満、SiO2で平均粒径が0.5μm未満の微粒径の銘柄を選ぶことが望ましい。また更に望ましくはAl2O3で平均粒径が0.1μm以下、SiO2で平均粒径が0.3μm以下の微粒径の銘柄を選ぶと更に良い。
なおここでいう平均粒径とは、レーザー回折・散乱法で測定した粒度分布におけるメディアン値d50を意味する。
このように選定することで、粒子同士の接触面積が大きくなり、反応性が向上することから 未反応物質の極めて少ないガラスを短時間で形成することが出来る。
また、原料組成は表1の評価から図4に示す組成範囲が望ましく、すなわち20mol%〜27mol%のDy2O3と25mol%〜36mol%のAl2O3と42mol%〜48mol%のSiO2からなる組成が望ましい。
原料の秤量は、ボールミルで湿式混合するが、この時分散剤を0.1重量%〜2重量%加え、12時間〜36時間ボールミルで混合粉砕するのが望ましい。
このようにすることで、微粒原料を十分混合させることができ、反応性にすぐれた混合紛を得ることが出来る。12時間以下では、混合が不十分で溶解時に未反応物が残り、また36時間以上では、コンタミの混入が無視できなくなる。
次に十分混合したスラリーにバインダーを5%〜10%加えスプレードライヤーで造粒する。このときバインダーが5%以下であると成形体の強度が不足し、10%を超えると仮焼体がポーラスとなり、溶融時の泡の発生が顕著になる。
先ず、実験では表1に示す組成比のDy2O3、Al2O3、SiO2混合粉末を作製し、それぞれの1550℃での溶解性、200〜800℃間での平均熱膨張係数、膨張係数の整合性から総合的に判定を行った。
有望な組成については、例えば、リング状(内径0.8〜1.5mm、外径1.5−3mm、厚み0.8〜1.5mm)といった所定の形状に成形したのち、仮焼をおこない、短時間で昇降温できる誘導加熱炉を使用し、アルゴン雰囲気中で溶解性を評価した。
このとき仮焼条件は1280℃〜1380℃、保持時間は2時間〜から8時間が望ましい。温度条件としては、1300℃〜1360℃とすることで、形状をある程度維持し、非晶質と結晶質の部分が混在した状態に変化することで特に、望ましい範囲である。
ここで、非晶質と結晶質の部分が混在した状態について説明すると、図6のX線回折パターンで(a)の成形体では、アルミナの結晶ピークがシャープに現れているものの、(b)の仮焼体では、アルミナの結晶ピークが低下していることから説明でき、仮焼をおこなうことで、不完全ではあるものの混合粉末の反応が進み、非晶質化(ガラス化)が進んだことを示しており、仮焼体中で非晶質と結晶質の部分が混在していることが理解できる。
このようにすることで、Dy2O3、Al2O3、SiO2粒子の接触面で溶融は起こらないものの、ガラス化が促進され、封止時には短時間の溶解、溶解時のアウターガスの著しい減少が実現できる。
1550℃での溶解性の判定における○×は、混合粉末が十分に溶解して下地が見える程度までガラス化した場合を○と判定した。図3のNo1、No2、No3が○に相当する。また反応が完全に進まず未溶解部分が点在して透明性がなくガラス化していない場合を×と判定した。図3のNo4が×に相当する。
○の判定が出た組成を三成分系組成図でプロットしたのが図4である。この図4から明らかなように、溶解性と熱膨張係数の両方を満足できる組成割合は極めて限られた狭い範囲であることが分かる。
また、1550℃で溶解させた根拠は、実際のランプ封止において、安定して作業できる温度帯が1500℃〜1600℃にあるからである。また各組成では、よりガラス化を促進させるために、原料粉末のAl2O3を0.1μm以下、SiO2を0.3μm以下のものが好ましい。
図5はAl2O3、SiO2原料粉末の平均粒子と溶解性の関係を検証した写真であり、No1−1は0.1μm以下のAl2O3、0.3μm以下のSiO2の混合粉、No1−2は0.1μm以下のAl2O3、0.8μmのSiO2の混合粉、No1−3は0.4〜0.7μmのAl2O3、0.8μmのSiO2の混合粉である。図5からNo1−1の混合粉は溶解しており、No1−2とNo1−3の混合粉は溶解していないことが分かる。したがって、Al2O3は0.1μm以下、SiO2は0.3μm以下のものを用いた。
また、誘導加熱炉において実施した溶解テストの結果を表2に示した。本テストは、ランプ封止により近い条件での溶解テストであるが、気泡の無い均一なガラスが形成できていることから、放電ランプとして封止部に起因する不具合が解消できており、ランプ特性の低下の少ない放電ランプが提供できることになる。
No.2、No.7の組成でガラス転移温度測定用テストピース(3mm×4mm×20mm)をそれぞれ作成し、熱分析装置(リガク製)にて測定したところそれぞれ905℃、900℃であることが確認できた。
本発明の封止材を製造するには、従来にあっては図2に示したように、完全に原料粉末を溶融してガラス化した後に、リング状に成形していたが、本発明にあってはガラス化せずに先ず分散剤とバインダを混合粉に混ぜてリング状に成形し、このリング状成形体(グリーンボディ)を仮焼により半溶融状態に変化させている。
図6(a)は仮焼前の成形体(グリーンボディ)のX線回折チャート、(b)は仮焼後の成形体のX線回折チャートである。これらのチャートを比較すると明らかなように、仮焼前の混合粉の成形体ではアルミナのアルミナ結晶のピークがシャープに、強度も大きく現れているが、仮焼体では、ガラス化にともなピークがブロードで強度も弱くなってくる。
したがって、本発明に係る封止材は非晶質と結晶質の部分が混在する半ガラス状態になっていることが分かる。
したがって、本発明に係る封止材は非晶質と結晶質の部分が混在する半ガラス状態になっていることが分かる。
上記半ガラス状態の封止材は、その後封止の際に1500℃以上、好ましくは1550℃以上に加熱しても、60秒以下、好ましくは30秒以下の短時間で溶解可能で泡の発生がなく、不純ガスも発生しないことが確認できた。
1…発光管、2…キャピラリー(細管)、3…栓体、4…発光物質、5…タングステン電極、6…封止材、7…封止ガラス。
Claims (6)
- セラミック発光管と、このセラミック発光管に電流を導入する栓体と、前記セラミック発光管の開口部内側とこの開口部に装着される前記栓体外側面との間を封止する封止ガラス部を備える放電ランプであって、前記封止ガラス部の組成が酸化物換算で20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2であり、かつ、前記封止ガラスの200℃〜800℃における熱膨張係数が6.7〜7.5×10−6/℃であることを特徴とする放電ランプ。
- 請求項1に記載の放電ランプにおいて、前記封止ガラス部のガラス転位温度が900℃以上であることを特徴とする放電ランプ。
- セラミック発光管と、このセラミック発光管に電流を導入する栓体と、前記セラミック発光管の開口部内側とこの開口部に装着される前記栓体外側面との間を封止する封止ガラス部を備える放電ランプの製造方法であって、組成が酸化物換算で20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2で、且つ非晶質と結晶質の部分が混在する封止材を、前記セラミック発光管開口部と前記栓体近傍に載置し、1500℃以上に加熱し、60秒以下保持してガラス化した後、冷却することで、前記セラミック発光管の開口部内側とこの開口部に装着される前記栓体外側面との間を封止することを特徴とする放電ランプの製造方法。
- セラミック発光管の開口部内側とこの開口部に装着される栓体外側面との隙間に溶融されて流入し冷却されて封止ガラスとなる放電ランプ用封止材であって、この封止材は組成が酸化物換算で20mol%〜27mol%のDy2O3と、25mol%〜36mol%のAl2O3と、42mol%〜48mol%のSiO2で、且つ非晶質と結晶質の部分が混在することを特徴とする封止材。
- 前記封止材の形状がリング状であることを特徴とする請求項4に記載に封止材。
- セラミック製発光管の開口部内側とこの開口部に装着される栓体外側面との隙間に溶融されて流入し冷却されて封止ガラスとなる封止材の製造方法であって、平均粒子径d50が0.5μm未満のAl2O3、平均粒子径d50が0.5μm未満のSiO2を、組成が酸化物換算で20.0mol%〜27.0mol%のDy2O3と、25.0mol%〜36.0mol%のAl2O3と、42.0mol%〜48.0mol%のSiO2となるように混合した後にこの混合粉末を成形し、1200〜1380℃で仮焼し、非晶質と結晶質の部分が混在することを特徴とする封止材の製造方法。
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JP2008107325A JP2009259602A (ja) | 2008-04-16 | 2008-04-16 | 放電ランプ、封止材および製造方法 |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2012158488A (ja) * | 2011-01-31 | 2012-08-23 | Iwasaki Electric Co Ltd | セラミックメタルハライドランプ用ガラスフリット |
JP2015046339A (ja) * | 2013-08-29 | 2015-03-12 | 岩崎電気株式会社 | セラミックメタルハライドランプの製造方法及びセラミックメタルハライドランプ |
-
2008
- 2008-04-16 JP JP2008107325A patent/JP2009259602A/ja active Pending
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