JP2011529442A

JP2011529442A - フリットシール材料、フリットシールを有するランプ、及び高輝度放電ランプのシール方法

Info

Publication number: JP2011529442A
Application number: JP2011521186A
Authority: JP
Inventors: ダナ・コールドウェル; アーリーン・ヘッカー; ジェフリー・ホルト
Original assignee: オスラム・シルバニア・インコーポレイテッド
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-12-08
Also published as: US20100019674A1; CN102112413A; WO2010014439A3; US7936128B2; EP2310341A2; WO2010014439A2

Abstract

高輝度放電ランプは、化学フィルを有するアーク管、該アーク管から延長したキャピラリー、前記キャピラリーを通って前記アーク管に供給された電極、及び前記キャピラリーをシールするフリットシールを含み、このフリットシールは、シリカ（ＳｉＯ₂）０重量％超〜５重量％未満とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の内の一方とを含む。このフリットシール材料は、従来のフリットシール材料でシールされたものと比較して、高い作用温度に耐えることができるので、キャピラリーの長さをより短くすることができる。

Description

本発明は、セラミック物体をシール（封止）するための材料、この材料をフリットシールとして用いたランプ、及び高輝度放電ランプのようなセラミック物体をこの材料でシールするための方法に関する。

図１に、慣用のセラミックメタルハライド式高輝度放電ランプ用の放電容器１を示す。この放電容器１はセラミックアーク管（発光管）６を含み、このセラミック管６にはケミカルフィル（化学充填物）８が満たされ且つ電極１４がセラミックキャピラリー（細管）２を通って供給される。前記アーク管は半分体１７ａ、１７ｂを有し、これらがシーム５において結合され、電極端部３がそれぞれの半分体の内側にある。キャピラリーの遠位末端はそれぞれのフリットシール９でそれぞれシールされる。フリットシール９の温度を下げるために、キャピラリー２はアーク管６の寸法と比して長く（例えばそれぞれのキャピラリーをアーク管の直径より長く）する。フリットシール９の従来の材料はアーク管中で高温においてケミカルフィル（例えば水銀及び混合メタルハライド）に対して反応性なので、長いキャピラリーが必要とされる。もしもフリットシールがケミカルフィルに近すぎると、フリットシール材料とケミカルフィルとの熱誘発反応が色の変化を引き起こし、ランプの寿命を短くすることがある。

米国特許第４０７６９９１号明細書に記載されたように、セラミック物体へのインリードをシールするために従来用いられている材料はジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）及びシリカ（ＳｉＯ₂）から作られたものである。この材料の重量割合（重量％）（バインダーなしのもの）は、ジスプロシア２０〜８０重量％、アルミナ０〜５５重量％及びシリカ５〜４５重量％の範囲であることができる。この特許明細書には、これらの組成限界の外側ではシールを作りにくく、しかも冷却時にシールジョイントに大きい機械的張力が加わることが示されている。実際、典型的なフリットシールの材料はジスプロシア約５５重量％、アルミナ２０重量％及びシリカ２５重量％であり、これらは組成限界の十分内側である。

国際公開ＷＯ２００８／０２０４０６号には、フリットシールの材料をプレス成形し且つ焼結してリングの形にし、これを延長電極上に取り付け且つ融解させてセラミック放電容器をシールする、フリットシールの製造方法が記載されている。この国際公開にはさらに、酸化セリウム（Ｃｅ₂Ｏ₃）２５〜６０重量％、アルミナ１２〜６４重量％及びシリカ３〜５０重量％、より一層好ましくは酸化セリウム３０〜５７重量％、アルミナ２０〜４８重量％及びシリカ１０〜２２重量％を含むフリットシール用材料も記載されている。酸化セリウムを使用することによってフリットの融点が低下し、それによって放電容器の製造が容易になる。

米国特許第４０７６９９１号明細書国際公開ＷＯ２００８／０２０４０６号

本発明の目的は、高輝度放電ランプにおけるキャピラリーの長さを短くすることにある。

本発明のさらなる目的は、キャピラリーの長さを短くすることができるように熱に対する反応が改善された新規のフリットシール材料を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、セラミック物体をシールするための新規の材料であって、シリカ（ＳｉＯ₂）０重量％超〜５重量％未満とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の内の一方とを含むものを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、新規のフリットシール材料、この材料のフリットシールを有する新規のランプ、及び高輝度放電ランプ用のフリットシールを製造する新規の方法を提供することにあり、ここでフリットシール材料はシリカ（ＳｉＯ₂）０重量％超〜５重量％未満とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の内の一方とを含む。

これらの目的及び他の目的並びに本発明の利点は、以下の図面及び好ましい実施形態の説明の検討後に本発明の分野の当業者に明らかになるであろう。

図１は、慣用のセラミックメタルハライド式高輝度放電ランプの断面図である。図２は、より短いキャピラリーを示す本発明のフリットシール材料を組み込んだアーク管の具体物のＸ線像である。図３は、低温融解共晶（Ｔｍ＝１７６２℃）を示すＡｌ₂Ｏ₃／Ｄｙ₂Ｏ₃についての状態図（相図）である。図４は、低温融解共晶（Ｔｍ＝１８２６℃）を示すＡｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃についての状態図である。

セラミック物体をシールするために用いられる本発明の材料は、従来のフリットシールの材料より高い作用温度に耐えることができることがわかった。高い作用温度に耐えることができるということは、本発明の材料を用いたフリットシールは放電チャンバーにより近くすることができることを意味し、このことはキャピラリーをより短くすることができることを意味する。キャピラリーが短かければ短いほどアーク管のコストが低くなり、製造がより容易になり、よりコンパクトになり、それによってランプ梱包デザインのより大きい融通性を与える。

図２は本発明のフリットシール材料を含むランプの具体物のＸ線像である。セラミックキャピラリーの遠位末端の破線部で示されるように、このキャピラリーは従来のランプのキャピラリーより約４０％短く、ランプ自体は約３０％短い。結果として、本発明のランプのフリットシールは従来のランプより１００℃以上高い温度に曝される。試験は、本発明のフリットシール材料を有するキャピラリーが短いランプは、シールに作用する温度が高いにも拘らず、従来のフリットシール材料を有するランプより長持ちするということを示した。従来のフリットシールは高い作用温度に曝された時に１００〜６００時間で壊れたのに対して、本発明のフリットシール材料のシールは４０００時間の試験の後も密封状態を保った。

本発明のフリットシール材料は、シリカ（ＳｉＯ₂）０重量％超〜５重量％未満とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の内の一方とを含む。組成は、アルミナとジスプロシア（又は酸化イットリウム）との相対割合がＡｌ₂Ｏ₃／Ｄｙ₂Ｏ₃（又はＡｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃）系についての最低融解温度の共晶（Ａｌ₂Ｏ₃／Ｄｙ₂Ｏ₃については１７６２℃、Ａｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃については１８２６℃）の組成に近いものであるのが好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃／Ｄｙ₂Ｏ₃系及びＡｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃系についての状態図をそれぞれ図３及び図４に示す。少量のシリカが融解温度を僅かに下げ、シールプロセスを有意に改善する。この組成を有するフリットシールは、おおよそ５５重量％のジスプロシア、２０重量％のアルミナ及び２５重量％のシリカを有する従来のフリット材料より高い温度に耐えることができ、しかも高い化学薬品耐性を有する。

試験は、２．９重量％及び４．８重量％のシリカを用いて満足できる結果が達成されるが、約７重量％のシリカでは結果は満足できないことを示した。２．９重量％のシリカについては、他の成分はアルミナ５０．７重量％及びジスプロシア４６．４重量％であることができ；４．８重量％のシリカについては、他の成分はアルミナ４９．７重量％及びジスプロシア４５．５重量％であることができる。別態様として、２．９重量％のシリカについては、他の成分はアルミナ６４．６重量％及び酸化イットリウム３２．５重量％であることができ；４．８重量％のシリカについては、他の成分はアルミナ６３．６重量％及び酸化イットリウム３１．６重量％であることができる。これらの百分率はバインダーを除いたものである。

本発明の材料は、適切な組成の酸化物粉体と脱イオン（ＤＩ）水中に溶解させた約３〜６重量％ポリビニルアルコールバインダーとを（例えばThinky（商品名）AR-500軌道ミキサーによって）混合することによって、調製することができる。この混合物を約５０℃において夜通し乾燥させ、粉砕し、篩分けすることができる。得られた粉体は、（例えば上記の国際公開ＷＯ２００８／０２０４０６号に記載されたように）プレス成形して好適な寸法及び重量を有する小さいリング体にすることができ、次いで空気中で１３７５℃において１時間焼結することによって、バインダーを除去し、酸化物をさらに結合させ且つ取扱いのための強度をリング体に与えることができる。焼結したリング体は、キャピラリーの端部において電極上に取り付けてキャピラリーをシールするために融解させることができる。

この組成物はまた、塗料様スラリーにおいて、蒸着コーティングとして、又は他の好適な技術で、適用することができる。

前記材料はまた、セラミック（例えばサファイア、ＹＡＧ等）及び金属（例えばニオブ、モリブデン、ＭｏＶ、タングステン等）を気密結合させるために用いることもできる。例えば、アーク管又は他の高温及び／若しくは腐食性環境に曝される具体物を、広範な寸法、複雑さ及び機能性で形成させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は明細書及び図面に鑑みて読んだ時の添付された特許請求の範囲によって画定されることを理解すべきである。

１・・・高輝度放電ランプ用の放電容器
２・・・セラミックキャピラリー
３・・・電極端部
５・・・シーム
６・・・セラミックアーク管
８・・・ケミカルフィル
９・・・フリットシール
１４・・・電極
１７ａ、１７ｂ・・・アーク管の半分体

Claims

０重量％超〜５重量％未満の範囲のシリカ（ＳｉＯ₂）とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の内の一方とを含む、セラミック物体をシールするための材料。
シリカ２．９重量％とアルミナ５０．７重量％とジスプロシア４６．４重量％とを有する、請求項１に記載の材料。
シリカ４．８重量％とアルミナ４９．７重量％とジスプロシア４５．５重量％とを含む、請求項１に記載の材料。
シリカ２．９重量％とアルミナ６４．６重量％と酸化イットリウム３２．５重量％とを含む、請求項１に記載の材料。
シリカ４．８重量％とアルミナ６３．６重量％と酸化イットリウム３１．６重量％とを含む、請求項１に記載の材料。
アルミナ及びジスプロシアを含有し、アルミナとジスプロシアとの相対割合がアルミナ／ジスプロシア系についての最低融解温度の共晶の組成に近い、請求項１に記載の材料。
アルミナ及び酸化イットリウムを含有し、アルミナと酸化イットリウムとの相対割合がアルミナ／酸化イットリウム系についての最低融解温度の共晶の組成に近い、請求項１に記載の材料。
ケミカルフィルを有するアーク管；
前記アーク管から延長したキャピラリー；
前記キャピラリーを通って前記アーク管中に供給された電極；並びに
シリカ（ＳｉＯ₂）０重量％超〜５重量％未満とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の内の一方とを含み、前記キャピラリーをシールするフリットシール：
を含む、高輝度放電ランプ。
前記キャピラリーが前記アーク管の直径より短い長さを有する、請求項８に記載のランプ。
前記フリットシールがシリカ２．９重量％、アルミナ５０．７重量％及びジスプロシア４６．４重量％を有する、請求項８に記載のランプ。
前記フリットシールがシリカ４．８重量％、アルミナ４９．７重量％及びジスプロシア４５．５重量％を有する、請求項８に記載のランプ。
前記フリットシールがシリカ２．９重量％、アルミナ６４．６重量％及び酸化イットリウム３２．５重量％を有する、請求項８に記載のランプ。
前記フリットシールがシリカ４．８重量％、アルミナ６３．６重量％及び酸化イットリウム３１．６重量％を有する、請求項８に記載のランプ。
アルミナ及びジスプロシアを含有し、アルミナとジスプロシアとの相対割合がアルミナ／ジスプロシア系についての最低融解温度の共晶の組成に近い、請求項８に記載のランプ。
アルミナ及び酸化イットリウムを含有し、アルミナと酸化イットリウムとの相対割合がアルミナ／酸化イットリウム系についての最低融解温度の共晶の組成に近い、請求項８に記載のランプ。
シリカ（ＳｉＯ₂）０重量％超〜５重量％未満とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とジスプロシア（Ｄｙ₂Ｏ₃）及び酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の内の一方とを混合する工程；
この混合物にバインダーを加える工程；
この混合物及びバインダーをプレス成形してリングの形にする工程；並びに
前記リング体を焼結して前記バインダーを取り除く工程：
を含む、高輝度放電ランプ用のフリットシールの製造方法。
ケミカルフィルを有するアーク管に取り付けたキャピラリーの端部において電極の上に前記の焼結したリング体を配置させる工程及び前記キャピラリーをシールするために前記の焼結したリング体を融解させる工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
前記材料がアルミナ及びジスプロシアを含有し、アルミナとジスプロシアとの相対割合がアルミナ／ジスプロシア系についての最低融解温度の共晶の組成に近い、請求項１６に記載の方法。
前記材料がアルミナ及び酸化イットリウムを含有し、アルミナと酸化イットリウムとの相対割合がアルミナ／酸化イットリウム系についての最低融解温度の共晶の組成に近い、請求項１６に記載の方法。