JP2010538439A - 不透明ゾーンを有するセラミック放電容器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

高輝度放電ランプの多結晶（ＰＣＡ）放電容器内の不透明ゾーンは、最終焼結された放電容器の所定領域内に残留細孔を形成することにより形成され得る。不透明ゾーンの配置を制御することは、最終焼結前に、放電容器の特定の領域内に炭素を含む残留物を形成することにより達成される。焼結中、炭素質材料は、焼結したＰＣＡ中に残留多孔性を生成する。不透明ＰＣＡのより高い放射率は、局部的な冷却を提供して、放電容器内の濃縮物挙動をより良好に制御することができる。

Description

本発明は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプのためのセラミック放電容器に関し、より詳細には、金属ハロゲン化物ランプのための多結晶アルミナ（ＰＣＡ）放電容器に関する。

金属ハロゲン化物放電ランプは、その高い効率と、それらの希土類化合物により生成する複合発光スペクトルに起因する高い演色性により好まれている。特に所望されているのはセラミック金属ハロゲン化物ランプであり、これは石英放電容器を有する伝統的な金属ハロゲン化物ランプと比較して改良された演色、色温度及び効率を提供する。これは、セラミック放電容器がその石英対応物と比較して高い温度で作動することができ、また、様々な金属ハロゲン化物化合物と反応しにくいためである。

最も大量に生産されているセラミック金属ハロゲン化物ランプは、所定量の水銀と、金属ハロゲン化物、特に金属ヨウ化物の複雑な組み合わせを含むフィルを有する。金属ハロゲン化物ランプのフィル化合物は、高い演色指数（ＣＲＩ）と、高い効率（ルーメン／ワット、ＬＰＷ）とを有する白色光の発光を達成するために、注意深く選択される。放電容器（通常、アーク管とも称される）内のフィル材料の濃縮及び蒸発挙動は、それらの作動寿命に亘ってランプの性能に影響を与える。この挙動に関する制御の欠如は、ランプの相間色温度（ＣＣＴ）又はＣＲＩにおける予想外の変化を招き得る。従って、金属ハロゲン化物ランプがより安定な色特性を有するように、放電容器内で濃縮物が形成されるための良好に画定された領域を有することが望ましい。

異なる種類のＨＩＤランプで使用されるために、金属ハロゲン化物及び類似した金属アマルガムフィルの濃縮−蒸発挙動を制御する様々な手段が開発されている。例えば、金属ハロゲン化物ランプ内の石英アーク管の外側表面上に反射コーティング、特にＺｒＯ₂が適用されており、また、小ワットの高圧ナトリウム（ＨＰＳ）アーク管の低温端の周囲に、金属遮熱材が巻き付けられている。セラミック金属ハロゲン化物ランプに関して、良好に画定された小さい寸法の冷地点（cold spot）を達成する先行技術のアプローチは、非対称の電極フィードスルーの使用と、該フィードスルーと放電容器内の壁との間の空間を最小にすることとを含む。

高温においては、放電容器の壁の形成に使用されるセラミック材料の放射率は、壁温に影響を与え、即ち放射率がより低くなると壁温はより高くなる。例えば、アーク管をイットリアから形成すると、壁温が約１００℃上昇することが示されている。イットリアは多結晶アルミナと比較して低い放射率を有し、約１０００℃におけるＰＣＡの約０．２と比較して約０．１である。反対に、より高い放射率を有する材料は、壁温をより低くするであろう。

多結晶アルミナの放射率は、その透過率に関連する。不透明ＰＣＡは、１０００℃において約０．４の高い総エミッタンス値を有する一方、半透明ＰＣＡは、一般に１０００℃において約０．２の総エミッタンス値を有する。不透明ＰＣＡと半透明ＰＣＡとの間の放射率の差異は、放電容器の特定の領域内の壁温を変更して、金属ハロゲン化物フィルの濃縮を促進するに十分である。

不透明セラミックは、通常、放電容器に望ましいものと考えられていないが、本発明者らは、多結晶アルミナ放電容器内に、適度に良好に画定された不透明ゾーンを形成することが可能であることを見出した。不透明ゾーンの位置及び範囲は操作可能であり得るため、不透明ゾーンは、放電容器の光出力上の任意の負の効果を最小限にするように設計することができる。不透明ゾーンの配置を制御することは、最終的な焼結前に、放電容器の特定の領域内に炭素質の残留物を形成することにより達成される。焼結中、炭素質材料は、焼結したＰＣＡ中に残留多孔性を生成する。アルミナ粒子内の残留細孔は、光を散乱させかつ吸収して、不透明性とより高い放射率とを生じる。本発明の文脈において、用語「不透明」は、ＰＣＡがもはや半透明ではない程に入射光が散乱されることを意味する。これは、ＰＣＡの外観における視覚的に知覚可能な変化として現れ、その外観は曇りガラスの外観から完全に白色までに亘る。

誂えた不透明ゾーンは、放電容器内でより低温の局部集中した温度領域を提供して、金属ハロゲン化物の濃縮物の位置を制御することにより、より良好なランプ間の一貫性と、ランプの作動寿命に亘るＣＣＴ及びＣＲＩの広がりを低下させる意図を有する。この方法は、例えば高い放射率を有するコーティングを表面に適用することよりも有効かつ耐久性が高く、このコーティングは、熱膨張の不一致と繰り返される加熱冷却サイクルの結果として、放電容器から剥離し得る。更に、不透明ゾーンは、放電容器を再設計することなく、任意の位置に任意の形状及び寸法にて形成することができる。これは、工具細工を必要としないことに加えて、放電容器の熱質量を元の設計と同一に維持し、そのため作動特性が比較的不変であるという追加の利益を有している。

本発明の一局面において、セラミック放電容器内に不透明ゾーンを形成するための方法を提供する。同方法は、（ａ）アルミナと有機バインダーとの混合物から放電容器を形成する工程と、（ｂ）放電容器形態を焼成して有機バインダーを除去し、前焼成した放電容器を形成する工程と、（ｃ）前焼成した放電容器の表面の所定領域内に有機化合物の溶液を塗布する工程と、（ｄ）前焼成した放電容器を窒素又は不活性ガス雰囲気内で焼成して、所定領域内に炭素を含む残留物を形成する工程と、（ｅ）前焼成した放電容器を焼結して、所定領域内に不透明ゾーンを形成する工程とを含む。

不透明領域（一つ又は複数）配置のための好ましい領域を示す、セラミック放電容器の断面図である。

本発明を、本発明の他の及び更なる目的、利点及び可能性と共により深く理解するために、上述した図面と共に以下の開示及び添付の特許請求の範囲に言及する。

不透明ＰＣＡゾーンは、最終焼結された放電容器の所定領域内に残留細孔を形成することにより形成され得る。不透明さをもたらす残留細孔は、粒子（grain）の内部に閉じ込められ、放電容器に対して明らかな負の副作用を有さないことが研究により証明されている。不透明及び半透明ＰＣＡの数個の研究からのデータの編集を、以下の表に提供する。

従って、本発明の不透明ゾーンは、６００ｎｍにおいて、好ましくは、２８ｃｍ^-1に等しいか又はそれ以上の、より好ましくは、２８〜４８ｃｍ^-1の散乱係数を有する。不透明ゾーンの細孔の密度は、好ましくは、細孔１×１０⁶個／ｍｍ³又はそれ以上であり、好ましい平均細孔径は、約２μｍである。より好ましくは、不透明ゾーンは、細孔１〜４×１０⁶個／ｍｍ³の細孔の密度を有する。

残留細孔を生成するための好ましい方法は、未焼成状態のセラミック形態が焼成されて有機バインダーが除去され、その部分に強度が付与された後、例えばポリビニルアルコール等の有機化合物の溶液を標的範囲内に塗布する工程を含む。バインダー除去工程は、一般に空気中で行われ、その部分の焼結に用いられる最終焼成の前であるため、概して前焼成と称される。バインダーが除去され、標的範囲に有機化合物が塗布された後、その部分に不活性ガス（例えばアルゴン若しくはヘリウム）又は窒素中で第二の前焼成を行って、炭素を含む残留物を前焼成した本体内に残留させる。好ましくは、第二の前焼成は、約７００℃〜約１４００℃、より好ましくは、約９００℃の温度で行われる。

前焼成した放電容器を、次に、一般に水素含有雰囲気、例えば湿潤Ｈ₂、又は湿潤７５％Ｈ₂／２５％Ｎ₂内で、約１７５０℃〜約１９５０℃の温度で最終焼結に供する。炭素含有残留物を含む領域は、水素含有雰囲気内で最終焼結された後に不透明ゾーンとなる。本方法は、任意の放電容器構造で使用されるに十分な融通性を有し、また、殆ど全ての形状及び寸法の不透明ゾーンの形成が可能である。

図面は、本発明の好ましい実施形態によるアーク放電容器の断面図である。アーク放電容器２１はセラミック本体２３を有し、同本体は、主として半透明な多結晶アルミナから構成されている。本体２３は、アーク放電キャビティ２５を画成し、かつ放電キャビティ２５から外側へ反対方向に延びる２つの毛細管２７を有している。好ましくは、放電キャビティ壁の厚さは、約０．８ｍｍである。毛細管は、内部に電極アセンブリ（図示せず）を受容かつ密封するに適しており、この電極アセンブリは、放電容器に電力を供給して、放電キャビティ内でアークを発生及び維持するための導電性パスを提供する。

略半球形の端部３３は、円筒管内と比較して、作動中の放電容器内でより均一の温度分布を提供する。ランプの性能の多数の局面において、より均一な分布が好ましい一方、これは、放電容器内にて良好に画定された、希土類ハロゲン化物が一貫して存在する冷角部（cold corner）を提供しない。一貫的な「冷地点」は、多数の同一種類のランプのグループにおいて色の広がりを制限するのに有益である。

このことに鑑みて、放電容器の漏斗領域内に不透明ゾーンを確立して、ランプの作動寿命に亘って色温度及び演色指数におけるより良好な一貫性を生じる局部的な冷却を提供することが好ましい。各々が首部及び茎部からなる放電容器の２つの不透明漏斗領域の寸法は、放電容器の各半球形端部３３（首部）の高さの約３０％を含み、隣接する毛細管（茎部）内に約５ｍｍ延びている。漏斗領域（上部及び下部端部）の境界は、図面内で破線の長方形２９で示されている。

出発粉末として高純度（純度≧９９．９７％）Ａｌ₂Ｏ₃粉末を使用した。粉末は、結晶寸法０．０５μｍ、平均比表面積３０^-6ｍ²／ｇ、及び平均粒径０．４５μｍの微細化Ａｌ₂Ｏ₃粒子を含んでいた。焼結助剤は、ＭｇＯ＋ＡｒＯ₂＋Ｙ₂Ｏ₃系をベースとした。アルミナ粉末を有機バインダーと混合して、放電容器形態を形成した。８５０〜１３５０℃にて空気中で未焼成形態の前焼成を行って、有機バインダーを除去した。

不透明ゾーンを形成するために、１０重量パーセント（重量％）のポリビニルアルコールを含有する水性溶液を、小ブラシを使用して空気中で前焼成された放電容器の標的範囲上に塗布した。塗布された放電容器を真空デシケーター内に配置して、１０重量％のポリビニルアルコール水溶液をアルミナ内に吸収させ、乾燥させた。この工程を３回繰り返して、前焼成した放電容器の壁に完全に含浸させた。次に、塗布部分を炉内で鉛直に配置し、窒素流下にて９００℃で２時間前焼成した（８℃／分の傾斜、及び１５℃／分の冷却）。窒素による前焼成の後、含浸範囲は薄灰色にて現れ、残留炭素が有効に導入されたことが示された。

Ｎ₂前焼成されたポリビニルアルコール含浸放電容器を、移動ベルト炉内にて乾燥Ｎ₂−８％Ｈ₂中で、１ｇの１０％ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃装填材料と共に１８５０℃で焼結した。放電容器の他のグループを静止炉（static furnace）内にて以下の条件下で焼成した：（１）２０℃から１４１５℃へ１．５時間で上昇させ、１４１５℃で３０分間保持し、１８５０℃へ２４分間で上昇させ、１８５０℃で３〜４時間保持し、次に１時間冷却させることを含む温度サイクル、（２）乾燥Ｈ₂（露点＝−４０℃）雰囲気にて２０℃〜１４１５℃、湿潤Ｈ₂（露点＝０℃）雰囲気にて１４１５℃から、（３）１ｇの１０％ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃装填材料。

ベルト炉内で焼成された放電容器内の不透明ゾーンは、見てすぐにわかるものであった。しかしながら、静止炉内で焼成された放電容器内の不透明ゾーンは、可視であるが比較的薄かった。不透明さの程度の相違は、焼結雰囲気の相違に関連すると考えられる。特に、静止炉内のＨ₂雰囲気は、ベルト炉内のＮ₂−８％Ｈ₂と比較して、残留炭素質材料をより燃え尽きさせたと思われる。不透明−漏斗放電容器の総透過率の値は、標準的な半透明ＰＣＡ容器の総透過率（〜９９％）の１％以内であった。

ベルト炉で焼結されたＰＣＡ容器の不透明漏斗の研磨断面のミクロ構造の分析により、漏斗の壁内の粒子の内部に、孔径約１〜５μｍの残留細孔が分布されていることが見出された。不透明首部の近ＩＤ又はＯＤ表面範囲は、細孔を含まず、実際に完全に緻密であり、これはおそらく乾燥Ｎ₂−８％Ｈ₂の強風が、表面上を直ちに一掃したため、ポリビニルアルコールから非焼成炭素が涸渇したことによる。完全に緻密な表面層は、ランプの融解した塩のフィルの湿潤挙動が、標準的なＰＣＡ漏斗の湿潤挙動と同一であることを意味する。

漏斗領域内に強力な不透明ゾーンを有するＰＣＡ放電容器を備えた２つの試験ランプのスペクトル特性を、対照ランプのグループと比較した。データは、作動１時間において、色温度の広がり（±ＣＣＴ）が大きく低下するが、（２４Ｋ、対対照８１Ｋ）、１００時間において±ＣＣＴが穏やかに増大する（７４Ｋ、対対照５７Ｋ）ことを示した。しかしながら、１時間から１００時間のＣＣＴの変化は、対照グループ、７６Ｋ、と比較して試験ランプ、６３Ｋ、においてより小さかった。更に、１時間及び１００時間の両方におけるＲａ及びＲ９演色値は、試験ランプで有意に改良された。１時間にて、試験ランプに関するＲａ及びＲ９値は、各々、９１及び３１であり、対照グループに関しては、各々、８５及び−７であった。１００時間にて、試験ランプに関するＲａ及びＲ９値は、各々、９２及び４２であり、対照グループに関しては、各々、８６及び６であった。

本発明の現時点で考慮される好ましい実施形態を示し説明してきたが、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲から逸脱せずに、本発明に様々な変更及び改良を為し得ることが当業者に明らかであろう。

２１ アーク放電容器
２３ セラミック本体
２７ 毛細管

Claims (20)

1. セラミック放電容器内に不透明ゾーンを形成する方法であって、
   （ａ）アルミナと有機バインダーとの混合物から放電容器を形成する工程と、
   （ｂ）前記放電容器形態を焼成して有機バインダーを除去し、前焼成した放電容器を形成する工程と、
   （ｃ）前記前焼成した放電容器の表面の所定領域内に有機化合物の溶液を塗布する工程と、
   （ｄ）前記前焼成した放電容器を窒素又は不活性ガス雰囲気内で焼成して、前記所定領域内に炭素を含む残留物を形成する工程と、
   （ｅ）前記前焼成した放電容器を焼結して、前記所定領域内に不透明ゾーンを形成するする工程とを含む方法。
2. 前記有機化合物が、ポリビニルアルコールである請求項１に記載の方法。
3. 前記溶液が、１０重量パーセントのポリビニルアルコールを含有する請求項２に記載の方法。
4. 前記溶液が、複数の塗布工程にて塗布され、溶液が塗布工程間で乾燥される請求項１に記載の方法。
5. 工程（ｄ）の焼成が、窒素雰囲気内で行われる請求項１に記載の方法。
6. 工程（ｄ）の焼成が、約７００℃〜約１４００℃の温度で行われる請求項１に記載の方法。
7. 工程（ｄ）の焼成が、９００℃で行われる請求項５に記載の方法。
8. 工程（ｅ）の焼結が、水素含有雰囲気内で、約１７５０℃〜約１９５０℃の温度で行われる請求項１に記載の方法。
9. 工程（ｅ）の焼結が、水素含有雰囲気内で、約１７５０℃〜約１９５０℃の温度で行われる請求項６に記載の方法。
10. 前記有機化合物が、ポリビニルアルコールである請求項９に記載の方法。
11. 前記溶液が、１０重量パーセントのポリビニルアルコールを含有する請求項１０に記載の方法。
12. セラミック放電容器であって、
    多結晶アルミナから形成されたセラミック本体を備え、
    前記セラミック本体は、所定領域内に位置する不透明ゾーンを除いて半透明であり、
    前記不透明ゾーンは、前記セラミック本体の半透明部分と比較して高い多孔性を有するセラミック放電容器。
13. 前記セラミック本体が、外側へ延びる毛細管を有する略半球形の端部を有し、
    前記所定領域が、前記略半球形の端部の一部と、前記毛細管の隣接する部分とを含む請求項１２に記載のセラミック放電容器。
14. 前記所定領域が、環状の形状を有する請求項１２に記載のセラミック放電容器。
15. セラミック放電容器であって、
    多結晶アルミナから形成されたセラミック本体を備え、
    前記セラミック本体は、所定領域内に位置する不透明ゾーンを除いて半透明であり、
    前記不透明ゾーンは、６００ｎｍにおいて、２８ｃｍ^-1と等しいか又はそれ以上の散乱係数を有するセラミック放電容器。
16. 前記散乱係数が、６００ｎｍにおいて、２８〜４８ｃｍ^-1である請求項１５に記載のセラミック放電容器。
17. セラミック放電容器であって、
    多結晶アルミナから形成されたセラミック本体を備え、
    前記セラミック本体は、所定領域内に位置する不透明ゾーンを除いて半透明であり、
    前記不透明ゾーンは、細孔１×１０⁶個／ｍｍ³又はそれ以上の細孔の密度を有するセラミック放電容器。
18. 平均細孔径が、約２μｍである請求項１７に記載のセラミック放電容器。
19. 前記細孔の密度が、細孔１〜４×１０⁶個／ｍｍ³である請求項１７に記載のセラミック放電容器。
20. 平均細孔径が、約２μｍである請求項１９に記載のセラミック放電容器。

Images