JP3562377B2

JP3562377B2 - セラミック製放電ランプ

Info

Publication number: JP3562377B2
Application number: JP09881699A
Authority: JP
Inventors: 晶司宮永; 満池内
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2019-04-06
Also published as: JP2000294195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック製放電ランプに関し、詳しくは、放電容器を形成する透光性セラミックスと同等または近似した線膨張率を有する封止部材および封着体により、気密封止構造が形成されたセラミック製放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、液晶表示装置のバックライト用光源や紫外線処理装置の光源などとして使用される放電ランプとしては、透光性セラミックスよりなる放電容器の発光管部内に一対の放電電極が対向配置されるとともに、水銀と希ガス、および必要に応じて各種の金属のハロゲン化物よりなる発光物質が封入されてなるセラミック製放電ランプが提案されている。
【０００３】
図５は、従来におけるセラミック製放電ランプの一例における封止構造の要部を示す説明用断面図である。この例においては、透光性セラミックスよりなり、球形または楕円球形の発光管部３１と、その両端に一体に連設された封止管部３２とを有してなる放電容器３０を具え、この放電容器３０の発光管部３１内に一対の放電電極３３が対向配置され、この放電電極３３を先端に有する電極棒３４の基端部が、封止管部３２の外端に配置されたサーメットよりなる封止部材３５の内端側部分に埋設されて固定され、封止管部３２と封止部材３５との間にフリット封着剤が充填されて形成された封着体３６により気密に封止されて、気密封止構造が形成されている。３８は、封止部材３５の外端面から外方に伸びるよう埋設されて固定された外部リード棒である。
また、封止管部３２内には、電極棒３４が挿通された状態で、例えばセラミックスよりなるスリーブ３７が配置されている。
【０００４】
而して、近年、このようなセラミック製放電ランプにおいては、より大電力で発光出力の大きいものが要求されており、これを実現するために大きな線径を有する電極棒を使用することが必要とされている。
しかしながら、上記のような構成の放電ランプにおいて、大きな線径を有する電極棒を使用した場合には、製造段階において、溶融したフリット封着剤が冷却されて封着体３６を形成する際に、図６に示すように、電極棒３４の線膨張率とフリット封着体３６の線膨張率との差に起因して生ずる歪みにより、図において模式的に示した、封着体３６における電極棒３４の基端側部分に接触する領域４０にクラックを発生させる場合があることが判明した。そして、この領域４０に発生したクラックは、矢印Ａで示すように、径方向に進行してスリーブ３７および封止管部３２に伸展し、遂には封止管部３２に割れを生じさせる、という問題がある。この問題は、線径が０．３ｍｍ以上の電極棒３４を使用したときに現れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に基づいてなされたものであり、その目的は、大きな線径を有する電極棒を使用した場合においても、封着体にクラックが生ずることが防止され、封止管部に割れを生じさせることがなく、生産性および信頼性の高いセラミック製放電ランプを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック製放電ランプは、透光性セラミックスよりなり、発光管部と当該発光管部に連設された封止管部とを有する放電容器を具え、前記発光管部内に一対の放電電極が対向配置され、当該放電電極を先端に有する電極棒の基端部が埋設されている封止部材が、前記封止管部の外端において、封着体により気密に封止されてなるセラミック製放電ランプであって、
前記封止部材の内端面に隣接する位置において、金属またはサーメットよりなる高靭性部材が電極棒の周囲に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
上記のセラミック製放電ランプにおいて、高靭性部材は、電極棒の外周面に巻装された金属箔よりなる構成とすることができる。
【０００９】
上記のセラミック製放電ランプにおいて、高靭性部材の２５〜３５０℃における平均線膨張率が、放電容器を構成する透光性セラミックスの２５〜３５０℃における平均線膨張率をＥ［Ｋ^−１］とするとき、Ｅ±１．０×１０^−６［Ｋ^−１］であることが好ましい。
【００１０】
上記のセラミック製放電ランプにおいて、高靭性部材が、封着体の構成成分のうち少なくとも１種と同一の構成成分を含有してなるサーメットよりなり、
当該高靭性部材の表層域には、封着体の構成成分を含有する中間層が形成されていることが好ましい。
【００１１】
上記のセラミック製放電ランプにおいて、高靭性部材の破壊靭性値が、５ＭＰａｍ ^1/2以上であることが好ましい。
【００１２】
上記のセラミック製放電ランプにおいては、電極棒の線径が０．３ｍｍ以上であるものを使用することができる。
【００１３】
【作用】
以上のような構成によれば、封止部材の内端面に隣接する位置において、高靭性部材が電極棒の周囲に配置されていることにより、封着体にクラックが生ずることが防止され、仮にクラックが生じた場合においても、当該高靭性部材によりクラックが径方向に進行することが抑制されるので、封止管部に割れを生じさせることがなく、その結果、生産性および信頼性の高いセラミック製放電ランプを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明のセラミック製放電ランプの構成の一例を示す説明用断面図である。この例のセラミック製放電ランプを構成する放電容器１０は、楕円球形の発光管部１１と、この発光管部１１の両端から外方に伸びるよう連設された筒状の封止管部１２とを有してなり、透光性セラミックスにより形成されている。
ここに、放電容器１０を構成するセラミックスとしては、透光性アルミナ多結晶体、透光性イットリウム−アルミニウム−ガーネット多結晶体、透光性イットリア多結晶体を用いることができるが、これらのうち、アルミナ多結晶体が特に好ましい。
一例における寸法例を挙げると、発光管部１１の最大外径は８．７〜１１．０ｍｍ、内容積は０．４〜０．７５ｃｍ^３とされる。また、封止管部１２の外径は２．０〜２．６ｍｍ、内径は０．６〜１．０ｍｍ、長さは３４〜４０ｍｍとされる。
【００１５】
放電容器１０の発光管部１１内には、一対の放電電極１３が対向配置されており、この放電電極１３は、封止管部１２内から発光管部１１にまで管軸に沿って伸びるよう配置された電極棒１４の先端に電極コイルが巻き付けられて形成されている。
電極棒１４の基端部は、内端面が封止管部１２の外端面に対向するよう配置された円柱状の導電性の封止部材１５の内端側部分に埋設されて固定されており、この封止部材１５の外端側部分には、外方に伸びる外部リード棒１６の端部が埋設されて固定されている。
電極棒１４は、その線径が０．３ｍｍ以上とされ、外部リード棒１６は、その線径が０．３ｍｍ以上とされる。一例の寸法例を挙げると、電極棒１４は、例えば直径０．３〜０．５ｍｍのタングステン線からなり、外部リード棒１６は、例えば直径０．３〜０．５ｍｍのタングステン線、モリブデン線または白金族の金属線からなる。また、電極棒１４の先端に巻き付けられる電極コイルは、直径０．０６〜０．３ｍｍのタングステン線からなる。
【００１６】
封止部材１５の材料としては、例えばアルミナ成分と、シリカ成分と、アルミナおよびシリカ以外の金属酸化物である線膨張率調整成分と、アルミナより線膨張率が小さい金属成分とからなり、放電容器１０の材質として用いられる透光性セラミックスと線膨張率が同等または近似した導電性サーメットが好適に用いられる。その具体例としては、例えばアルミナ−酸化マグネシウム−モリブデン−シリカ系サーメット、アルミナ−酸化ジスプロシウム−モリブデン−シリカ系サーメットなどを挙げることができる。
好適なサーメットにおける各成分の含有割合は、例えばアルミナ成分が１５〜６０容量％、シリカ成分が５〜３０容量％、アルミナおよびシリカ以外の金属酸化物である線膨張率調整成分が５〜４０容量％、アルミナより線膨張率が小さい金属成分が３０〜６０容量％とされる。
【００１７】
封止管部１２の外端部分の内部においては、図２に示すように、電極棒１４の外径に適合する内径の貫通孔２０ａを有する円筒状またはワッシャ状の高靭性部材２０が、電極棒１４が貫通孔２０ａに挿通された状態で、封止部材１５の内端面と隣接した位置に配置されている。この高靭性部材２０の材質については後述する。
【００１８】
また、放電容器１０の封止管部１２内には、スリーブ１７が、これに電極棒１４が挿通された状態で配置されており、スリーブ１７の外端面が高靭性部材２０の内端面と対向した状態とされている。
ここに、スリーブ１７の材質としては、放電容器１０を形成する透光性セラミックスと同等または近似した線膨張率を有するセラミックス、例えば透光性アルミナ結晶体、透光性イットリウム−アルミニウム−ガーネット多結晶体、透光性イットリア多結晶体などを用いることができる。
このスリーブ１７は、その外径が封止管部１２の内径と適合するとともに、その内径が電極棒１４の直径と適合する形状を有することが望ましい。特にスリーブ１７の外径と封止管部１２の内径との差は小さいことが好ましく、具体的には０．１２ｍｍ以下であることが望ましい。これにより、両者間の間隙を十分に小さくすることができるので、これに進入して凝縮する封入物の量を少なく抑えることが可能となる。
【００１９】
そして、このセラミック製放電ランプにおいては、封止管部１２の外端面と封止部材１５の内端面との間の間隙から、例えばフリットガラスよりなる封着剤が充填されて封着体１８が形成されることにより、封止部材１５が封止管部１２の外端部分に気密に封止されて、気密封止構造が形成されている。また、封着体１８は、電極棒１４の外周面とスリーブ１７の内周面との間の間隙およびスリーブ１７の外周面と封止管部１２の内周面との間の間隙にも流入した状態で形成されている。
封着剤としては、例えば希土類酸化物−アルミナ−シリカ系などのフリットガラスを用いることができ、具体的には、例えば酸化ジスプロシウム−アルミナ−シリカ系のフリットガラスなどを用いることができる。
【００２０】
高靭性部材２０の材質としては、例えばアルミナ成分と、シリカ成分と、アルミナおよびシリカ以外の金属酸化物である線膨張率調整成分と、アルミナより線膨張率が小さい金属成分とからなり、放電容器１０の材質として用いられる透光性セラミックスと線膨張率が同等または近似したサーメット、またはタンタル、ニオブなどの破壊靭性値の大きい金属が好適に用いられる。
【００２１】
高靭性部材２０の材質として用いられるサーメットの具体例としては、例えばアルミナ−酸化マグネシウム−モリブデン−シリカ系サーメット、アルミナ−酸化ジスプロシウム−モリブデン−シリカ系サーメットなどが挙げられる。
【００２２】
高靭性部材２０の材質として用いられるサーメットは、金属成分を３０体積％以上の割合で含有していることが好ましく、これにより、当該高靭性部材２０は優れた破壊靭性を有するものとなる。
また、高靭性部材２０の材質として用いられるサーメットは、シリカ成分を５〜３０体積％の割合で含有していることが好ましい。この場合には、後述するように、高靭性部材２０の表層域に封着体１８の構成成分を含有する中間層２１ａが形成されて、高靭性部材２０と封着体１８との間の密着性が極めて高いものとなる。
【００２３】
高靭性部材２０は、その破壊靭性値が放電容器１０を形成する封止管部１２およびスリーブ１７の破壊靭性値より大きいことが必要であり、具体的には５ＭＰａｍ ^1/2以上であることが好ましい。
高靭性部材２０を構成するサーメットまたは金属の破壊靭性値の一例を挙げると、アルミナ−酸化マグネシウム−モリブデン−シリカ系サーメットは、５〜１２［ＭＰａｍ ^1/2］、アルミナ−酸化ジスプロシウム−モリブデン−シリカ系サーメットは、５〜１２［ＭＰａｍ ^1/2］、タンタルが７〜２０［ＭＰａｍ ^1/2］、ニオブが７〜２０［ＭＰａｍ ^1/2］である。
【００２４】
高靭性部材２０の材質として用いられるサーメットは、放電容器１０を形成する透光性セラミックスの材質に応じて選択される。すなわち、放電容器１０を形成する透光性セラミックスの線膨張率と、高靭性部材２０を形成するサーメットの線膨張率との差が小さいことが必要であり、具体的には、「２５〜３００℃における平均線膨張率」（以下、単に「平均線膨張率」という。）を測定したとき、透光性セラミックスの平均線膨張率をＥ〔Ｋ^−１〕とした場合に、高靭性部材２０を形成するサーメットの平均線膨張率がＥ±１．０×１０^−６〔Ｋ^−１〕であることが好ましい。
この場合には、放電容器１０を構成する透光性セラミックスの平均線膨張率と同等または近似した平均線膨張率を有する封着体１８と高靭性部材２０との間にクラックが生ずることがなく、基本的に、信頼性の高い気密封止構造が形成される。
【００２５】
放電容器１０を形成する透光性セラミックスの平均線膨張率の一例を挙げると、アルミナ多結晶体が７．０×１０^−６〔Ｋ^−１〕、ＹＡＧ多結晶体が７．２×１０^−６〔Ｋ^−１〕、酸化イットリウム多結晶体が７．８×１０^−６〔Ｋ^−１〕である。なお、平均線膨張率の値は、透光性セラミックスの製法、密度、結晶方位などによっても変動するものであり、従って、上記の平均線膨張率は一例（参考値）にすぎない。
【００２６】
本発明のセラミック製放電ランプの封止の方法としては、透光性セラミックスよりなる発光管部１１と、当該発光管部１１に連設された封止管部１２とを有する放電容器材料を垂立させた状態で保持し、上端となる封止管部１２の外端面上に、例えばフリットガラスよりなるリング状の封着剤を介して、電極棒１４等が一体に固定された封止部材１５を配置し、当該封着剤とその周辺の領域を光加熱し、封着剤を溶融させて封着体１８を形成し、この封着体１８により封止管部１２と封止部材１５とを気密に封止する方法が好ましく利用される。
【００２７】
高靭性部材２０が、封着体１８の構成成分のうちの少なくとも１種と同一の構成成分を含有してなるサーメットよりなる場合には、封着剤を溶融させる際に、高靭性部材２０を構成するサーメットの構成成分の一部および封止部材１５を構成するサーメットの構成成分の一部が溶融する。そして、高靭性部材２０を構成するサーメットの構成成分と封着剤を構成する構成成分とが相互に拡散することにより、高靭性部材２０の表層域に封着剤の構成成分が含有された層である中間層２１ａが形成される。また、封止部材１５を構成するサーメットの構成成分と封着剤を構成する構成成分とが相互に拡散することにより、封止部材１５の表層域に封着剤の構成成分が含有された中間層２１ｂが形成される。図３は、中間層が形成された封止構造の要部を模式的に示す説明用断面図である。
【００２８】
高靭性部材２０の表層域に形成された中間層２１ａにおいては、封着体１８との接触面から離れるに従って、封着体１８の構成成分の含有割合が減少しており、具体的には、封着体１８との接触面に近い位置においては、封着体１８の構成成分の含有割合が緩やかに減少し、封着体１８との接触面から遠い位置においては、フリット封着体１８の構成成分の含有割合が大幅に減少する。
また、封止部材１５の表層域に形成された中間層２１ｂにおいても、同様の状態となる。
【００２９】
高靭性部材２０の表層域に中間層２１ａが形成され、封止部材１５の表層域に中間層２１ｂが形成されることにより、高靭性部材２０と封着体１８との間の密着性および封止部材１５と封着体１８との間の密着性が極めて高いものとなり、信頼性の高い気密封止構造が形成される。
【００３０】
以上のような構成を有するセラミック製放電ランプによれば、封止部材の内端面に隣接する位置において、高靭性部材２０が電極棒１４の周囲に配置されていることにより、封着体１８にクラックが生ずることが防止され、仮にクラックが生じた場合においても、当該高靭性部材２０によりクラックが径方向に進行することが抑制されるので、封止管部１２に割れを生じさせることがなく、その結果、生産性および信頼性の高いセラミック製放電ランプを得ることができる。
【００３１】
図４は、本発明のセラミック製放電ランプの他の実施例の封止構造の要部を示す説明用断面図である。この例における高靭性部材２５は、金属箔が電極棒１４の外周面に、当該電極棒１４の基端側部分からスリーブ１７の外端部分に至る領域に巻装された金属箔により構成されている。
また、高靭性部材２５は、電極棒１４が挿入または圧入されて装着された、予め筒状に巻かれた金属箔により構成することもでき、この場合には、金属箔が一重に巻かれたものであってもよいが、両端縁部が重なり合っていてることが好ましい。更に、二重または三重以上巻き付けられたものとすることができる。
【００３２】
高靭性部材２５が金属箔よりなる場合には、当該高靭性部材２５によって封着体１８に生ずる歪みが吸収され、あるいは緩和されるので、封着体１８にクラックが生ずることが防止され、これにより、封止管部１２に割れを生じさせることがなく、従って、生産性および信頼性が高いセラミック製放電ランプを得ることができる。
【００３３】
以上のように、本発明によれば、大きな線径を有する電極棒１４を使用した場合であっても、封着体１８にクラックが生ずることを確実に防止することができる。この効果は、特に線径が０．３ｍｍ以上である電極棒１４を使用した場合に有効に発現される。
【００３４】
以上、本発明の具体的な実施例について説明したが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、各部の具体的構成については種々の変更を加えることが可能である。
例えば、電極棒は封止部材を貫通する構成であってもよく、その場合には、電極棒の外端部がそのまま外部リード部として機能するものとされ、封止部材は絶縁性のものであってもよい。
【００３５】
また、例えばキセノンランプなどのように、発光物質として水銀が封入されていない放電ランプの場合には、電極棒の周囲にスリーブを配置することは不要であり、電極棒の外周面と放電容器の封止管部の内周面との間に間隙を有する構成とすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のセラミック製放電ランプによれば、封止部材の内端面に隣接する位置において、高靭性部材が電極棒の周囲に配置されていることにより、封着体にクラックが生ずることが防止され、封止管部に割れを生じさせることがなく、その結果、生産性および信頼性の高いセラミック製放電ランプを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック製放電ランプの構成の一例を示す説明用断面図である。
【図２】図１における高靭性部材を示す斜視図である。
【図３】中間層が形成された封止構造の要部を模式的に示す説明用断面図である。
【図４】本発明のセラミック製放電ランプの他の実施例の封止構造の要部を示す説明用断面図である。
【図５】従来におけるセラミック製放電ランプの一例における封止構造の要部を示す説明用断面図である。
【図６】クラックが発生する領域およびクラックの進行を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０放電容器
１１発光管部
１２封止管部
１３放電電極
１４電極棒
１５封止部材
１６外部リード棒
１７スリーブ
１８フリット封着体
２０高靭性部材
２０ａ貫通孔
２１ａ、２１ｂ中間層
２５高靭性部材
３０放電容器
３１発光管部
３２封止管部
３３放電電極
３４電極棒
３５封止部材
３６封着体
３７スリーブ
３８外部リード棒

Claims

透光性セラミックスよりなり、発光管部と当該発光管部に連設された封止管部とを有する放電容器を具え、前記発光管部内に一対の放電電極が対向配置され、当該放電電極を先端に有する電極棒の基端部が埋設されている封止部材が、前記封止管部の外端において、封着体により気密に封止されてなるセラミック製放電ランプであって、前記封止部材の内端面に隣接する位置において、金属またはサーメットよりなる高靭性部材が電極棒の周囲に配置されていることを特徴とするセラミック製放電ランプ。
前記高靭性部材は、電極棒の外周面に巻装された金属箔よりなることを特徴とする請求項１に記載のセラミック製放電ランプ。
前記高靭性部材の２５〜３５０℃における平均線膨張率が、前記放電容器を構成する透光性セラミックスの２５〜３５０℃における平均線膨張係率をＥ［Ｋ ^-1 ］とするとき、Ｅ±１．０×１０ ^-6 ［Ｋ ^-1 ］であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック製放電ランプ。
前記高靭性部材が、封着体の構成成分のうちの少なくとも１種と同一の構成成分を含有してなるサーメットよりなり、
当該高靭性部材の表層域には、封着体の構成成分を含有する中間層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック製放電ランプ。
前記高靭性部材の破壊靭性値が、５ＭＰａｍ ^1/2 以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のセラミック製放電ランプ。
前記電極棒の線径が０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のセラミック製放電ランプ。