JP4144968B2 - 透光性部材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルハライドランプ及びナトリウムランプ等の放電ランプの発光管に使用される透光性部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタルハライドランプは、ヨウ化ナトリウム・ヨウ化スカンジウム・ヨウ化希土類等のハロゲン化金属を発光管に入れて、アーク放電により発生した紫外線によって金属が励起し、発光する。従来、石英が発光管材料に使用されてきた。
また、ナトリウムランプは、ナトリウム蒸気からの放電により光を発生する放電ランプである。その発光管は酸化アルミニウムが使用されてきた。
しかし、メタルハライドランプの場合、ハロゲンガスおよび放電電極に使用するＷ（タングステン）によって、石英がエッチングされ、失透する。また、ナトリウムランプの場合、ナトリウム蒸気によって、酸化アルミニウムがエッチングされる。
【０００３】
両方の発光管用の代替材料として、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）が提案されている（特開平１０−６７５５５号公報・特開平１０−１０１４１１号公報）。ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）焼結体は、従来の石英や酸化アルミニウムより、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食性が高い。しかし、ＹＡＧは融点（１９６０℃）が高く、透光性焼結体を製造するには難しい。特開平１０−１０１４１１号公報に記載されているように、ＳｉＯ２・ＭｇＯ等の助剤を使用すると、透光性焼結体は製造できるが、助剤によって、焼結体の強度が低下するという問題が生じる。また、助剤は結晶粒界に存在するので、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気によって、粒界の助剤から腐食されるという問題もある。そのため、実際には実用化されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上に述べた従来技術の欠点を解消し、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気によって腐食され難く、かつ、比較的低温で焼結できる、メタルハライドランプ及びナトリウムランプ等の放電ランプの発光管に使用される透光性部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、本発明は、Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現されるガーネット構造で、その表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下、気孔率が１％以下の焼結体であり、可視光の光線透過率５０％以上である透光性部材とする。焼結体の結晶粒径が３０μｍ以下であることが望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明者は、従来の石英やＹＡＧの問題点を解決するには、Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現されるガーネット構造の透光性焼結体を放電ランプ発光管に用いることが極めて有用であることを見出して、本発明を完成するに至った。
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現されるガーネット構造の焼結体は、比較的融点が低く、融点を下げるためにＳｉＯ2・ＭｇＯ等の助剤を使用する必要がないし、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食性も高い。
【０００７】
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体の方が、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12焼結体より耐食性が高い。
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体は、平均粒径が２μｍ以下の粉末を原料とし、圧粉成形およびストリップキャストで成形し、真空または水素雰囲気中で焼結する。
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体の表面粗さ（Ｒａ）は、可視光の光線透過率及び耐食性に影響する。表面の凹凸で光を散乱し、光の透過の障害になる。また耐食性は、反応面積に依存するから、その表面積の影響が大きい。
【０００８】
そのため、本発明においては、その表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下に制御することによって、表面積を極力低く押さえて耐食性を上げ、かつ、平滑性を向上させて光の透過率を確保する。
焼結体の表面粗さ（Ｒａ）が１μｍを超えると、ハロゲンガスに接する表面積が大きくなり耐食性が低下する。表面粗さ（Ｒａ）は小さければ小さいほど好ましい。
【０００９】
焼結体の気孔率は、光の透過率、機械的強度に影響する。表面付近にある気孔によって、その表面粗さ（Ｒａ）にも影響がある。焼結体内部に存在する密閉気孔が光を散乱し、光の透過の障害になる。焼結体内部に存在する気孔は機械的強度を下げることはいうまでもない。焼結体内部に存在する気孔が連続している場合には、その影響は特に大きい。焼結体の気孔率を１％以下にすると、部材表面の局部的な腐食の進行と表面状態の劣化を防止できる。気孔率が１％を超えると、表面付近にある気孔によって、その表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下を保つことができない。また、焼結体の気孔率を１％以下にすると、光の散乱もそれほど大きくなく、機械的強度の劣化も許容できる範囲に収まる。
焼結体の気孔率は、主に焼結条件（最高温度、焼結時間）を管理することによって制御する。例えば、焼結温度は１８００℃近辺で、±３０℃程度、焼結時間３〜６時間程度が目安となる。なお、比較例のうち、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２粉末を用いる場合には、焼結温度は１８５０℃付近が中心になる。
【００１０】
放電ランプの発光管に使用するためには、当然のことながら、光を透過する必要がある。具体的には、可視光の光線透過率が５０％以上である必要がある。
可視光の光線透過率は、焼結体の材質に基づく透明度だけではなく、前述のとおり、焼結体の表面粗さ（Ｒａ）および焼結体の気孔率によっても影響される。
放電ランプの発光管では、可視光以外に、紫外線および赤外線が発光する。発光管は、紫外線および赤外線を遮断する働きがあると更によい。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12焼結体よりＹｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体は紫外線および赤外線を遮断する働きがより強い。
【００１１】
焼結体の結晶粒径が耐食性に及ぼす影響は小さい。しかし、焼結体を部材として使用する際に、機械的強度が必要である。結晶粒径が３０μｍ以上の場合、極端に機械的強度が低下するので、結晶粒径は３０μｍ以下であることが必要である。
焼結体の結晶粒径は、原料粉末の粒径、焼結条件等に影響される。結晶粒径を３０μｍ以下にするためには、それぞれ原料粉末の平均粒径Ｄ５０＝０．５〜２μｍ（レーザ回析法）で、焼結温度を１７００〜１８００℃の範囲とすることが望ましい。
【００１２】
以下に実施例・比較例を示すが、評価は次のようにした。
気孔率はアルキメデス法で測定した密度から求めた。
表面粗さ（Ｒａ）は、表面粗さ計（キーエンス社製）により測定した。
光線透過率は２００〜１２００ｎｍ範囲で分光光度計（ＶＶ３１００Ｓ：（株）島津製作所製）によって求めた。
ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食性を求めるためには、ランプにして１０００時間から１００００時間点灯し続ける必要があるので、ハロゲンガスに対する耐食試験として、より簡便な方法であるフッ酸溶液への溶解試験を代わりに行った。５０％フッ酸溶液に１６０℃で１２時間漬けて、未溶解物を純水で洗浄・乾燥し重量を測った。初期重量に対する未溶解物重量パーセントで表示した。石英は５０％フッ酸溶液に１６０℃で４時間で全量が溶解する。
焼結体を３×４×４０ｍｍに加工し、３点曲げ強度を測った。
結晶粒径は、焼結体の断面の電子顕微鏡写真から求めた。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施の形態を実施例と比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
［実施例１］
Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２粉末を金型で４５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で７０φ×５ｍｍの形状に成形し、真空中（１×１０−３Ｐａ）で、表１に示す温度と時間で焼結した。焼結温度・時間を変えることによって、求める気孔率及び平面粗さにした。別途、機械的強度測定用に、３×４×４０ｍｍの焼結体も製作した。
得られた焼結体について、表面粗さ（Ｒａ）、気孔率、結晶粒子径、フッ酸への溶解度、光線透過率、３点曲げ強度を測定した。求めた結果を、焼結条件とともに、表１に示す。
【００１４】
［比較例１］
Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２粉末を金型で４５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で実施例１と同様の形状に成形し、真空中（１×１０−３Ｐａ）で所定温度・時間で焼結した。焼結温度・時間を変えることによって、求める気孔率及び平面粗さにした。
実施例１と同項目について測定した。求めた結果を、焼結条件とともに、表１に示す。
【００１５】
［比較例２］
Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２粉末とＹｂ３Ａｌ５Ｏ１２にＳｉＯ２を１０００ｐｐｍ添加した粉末の２種類を用意した。金型で４５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で成形し、真空中（１×１０−３Ｐａ）で所定温度・時間で焼結した。焼結温度・時間を変えることによって、気孔率を２％のものを製造した。また、気孔率１％以下の焼結体で、平面粗さを３μｍを超えるものも製造した。実施例１と同項目について測定した。求めた結果を、焼結条件とともに、表１に示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】
表１より、希土類・アルミニウム・ガーネット焼結体（Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２）は、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）より、フッ酸溶液への溶解速度が遅い。このことより、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対して、Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２がＹＡＧより耐食性があることがわかる。Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２焼結体でも気孔率の高いものや表面が粗いものもフッ酸溶液への溶解速度が速いことより、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対して、Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２焼結体でも気孔率の高いものや表面の粗いものは腐食されやすい。また、ＳｉＯ２を添加することにより、曲げ強度が低下し、腐食されやすくなる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明では、メタルハライドランプおよびナトリウムランプ等の放電ランプ発光管に使用される透光性部材として、Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現される希土類元素・アルミニウム・ガーネット焼結体が、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食に替えて調べた弗酸溶液に対する溶解度が小さく、可視光線に対する光線透過率が５０％を超えるものであり、一方、人体に有害な紫外線や赤外線を遮断する。かつ、機械的強度も十分にあるものが得られる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルハライドランプ及びナトリウムランプ等の放電ランプの発光管に使用される透光性部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタルハライドランプは、ヨウ化ナトリウム・ヨウ化スカンジウム・ヨウ化希土類等のハロゲン化金属を発光管に入れて、アーク放電により発生した紫外線によって金属が励起し、発光する。従来、石英が発光管材料に使用されてきた。
また、ナトリウムランプは、ナトリウム蒸気からの放電により光を発生する放電ランプである。その発光管は酸化アルミニウムが使用されてきた。
しかし、メタルハライドランプの場合、ハロゲンガスおよび放電電極に使用するＷ（タングステン）によって、石英がエッチングされ、失透する。また、ナトリウムランプの場合、ナトリウム蒸気によって、酸化アルミニウムがエッチングされる。
【０００３】
両方の発光管用の代替材料として、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）が提案されている（特開平１０−６７５５５号公報・特開平１０−１０１４１１号公報）。ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）焼結体は、従来の石英や酸化アルミニウムより、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食性が高い。しかし、ＹＡＧは融点（１９６０℃）が高く、透光性焼結体を製造するには難しい。特開平１０−１０１４１１号公報に記載されているように、ＳｉＯ２・ＭｇＯ等の助剤を使用すると、透光性焼結体は製造できるが、助剤によって、焼結体の強度が低下するという問題が生じる。また、助剤は結晶粒界に存在するので、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気によって、粒界の助剤から腐食されるという問題もある。そのため、実際には実用化されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上に述べた従来技術の欠点を解消し、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気によって腐食され難く、かつ、比較的低温で焼結できる、メタルハライドランプ及びナトリウムランプ等の放電ランプの発光管に使用される透光性部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、本発明は、Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現されるガーネット構造で、その表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下、気孔率が１％以下の焼結体であり、可視光の光線透過率５０％以上である透光性部材とする。焼結体の結晶粒径が３０μｍ以下であることが望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明者は、従来の石英やＹＡＧの問題点を解決するには、Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現されるガーネット構造の透光性焼結体を放電ランプ発光管に用いることが極めて有用であることを見出して、本発明を完成するに至った。
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現されるガーネット構造の焼結体は、比較的融点が低く、融点を下げるためにＳｉＯ2・ＭｇＯ等の助剤を使用する必要がないし、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食性も高い。
【０００７】
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体の方が、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12焼結体より耐食性が高い。
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体は、平均粒径が２μｍ以下の粉末を原料とし、圧粉成形およびストリップキャストで成形し、真空または水素雰囲気中で焼結する。
Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体の表面粗さ（Ｒａ）は、可視光の光線透過率及び耐食性に影響する。表面の凹凸で光を散乱し、光の透過の障害になる。また耐食性は、反応面積に依存するから、その表面積の影響が大きい。
【０００８】
そのため、本発明においては、その表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下に制御することによって、表面積を極力低く押さえて耐食性を上げ、かつ、平滑性を向上させて光の透過率を確保する。
焼結体の表面粗さ（Ｒａ）が１μｍを超えると、ハロゲンガスに接する表面積が大きくなり耐食性が低下する。表面粗さ（Ｒａ）は小さければ小さいほど好ましい。
【０００９】
焼結体の気孔率は、光の透過率、機械的強度に影響する。表面付近にある気孔によって、その表面粗さ（Ｒａ）にも影響がある。焼結体内部に存在する密閉気孔が光を散乱し、光の透過の障害になる。焼結体内部に存在する気孔は機械的強度を下げることはいうまでもない。焼結体内部に存在する気孔が連続している場合には、その影響は特に大きい。焼結体の気孔率を１％以下にすると、部材表面の局部的な腐食の進行と表面状態の劣化を防止できる。気孔率が１％を超えると、表面付近にある気孔によって、その表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下を保つことができない。また、焼結体の気孔率を１％以下にすると、光の散乱もそれほど大きくなく、機械的強度の劣化も許容できる範囲に収まる。
焼結体の気孔率は、主に焼結条件（最高温度、焼結時間）を管理することによって制御する。例えば、焼結温度は１８００℃近辺で、±３０℃程度、焼結時間３〜６時間程度が目安となる。なお、比較例のうち、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２粉末を用いる場合には、焼結温度は１８５０℃付近が中心になる。
【００１０】
放電ランプの発光管に使用するためには、当然のことながら、光を透過する必要がある。具体的には、可視光の光線透過率が５０％以上である必要がある。
可視光の光線透過率は、焼結体の材質に基づく透明度だけではなく、前述のとおり、焼結体の表面粗さ（Ｒａ）および焼結体の気孔率によっても影響される。
放電ランプの発光管では、可視光以外に、紫外線および赤外線が発光する。発光管は、紫外線および赤外線を遮断する働きがあると更によい。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12焼結体よりＹｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 焼結体は紫外線および赤外線を遮断する働きがより強い。
【００１１】
焼結体の結晶粒径が耐食性に及ぼす影響は小さい。しかし、焼結体を部材として使用する際に、機械的強度が必要である。結晶粒径が３０μｍ以上の場合、極端に機械的強度が低下するので、結晶粒径は３０μｍ以下であることが必要である。
焼結体の結晶粒径は、原料粉末の粒径、焼結条件等に影響される。結晶粒径を３０μｍ以下にするためには、それぞれ原料粉末の平均粒径Ｄ５０＝０．５〜２μｍ（レーザ回析法）で、焼結温度を１７００〜１８００℃の範囲とすることが望ましい。
【００１２】
以下に実施例・比較例を示すが、評価は次のようにした。
気孔率はアルキメデス法で測定した密度から求めた。
表面粗さ（Ｒａ）は、表面粗さ計（キーエンス社製）により測定した。
光線透過率は２００〜１２００ｎｍ範囲で分光光度計（ＶＶ３１００Ｓ：（株）島津製作所製）によって求めた。
ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食性を求めるためには、ランプにして１０００時間から１００００時間点灯し続ける必要があるので、ハロゲンガスに対する耐食試験として、より簡便な方法であるフッ酸溶液への溶解試験を代わりに行った。５０％フッ酸溶液に１６０℃で１２時間漬けて、未溶解物を純水で洗浄・乾燥し重量を測った。初期重量に対する未溶解物重量パーセントで表示した。石英は５０％フッ酸溶液に１６０℃で４時間で全量が溶解する。
焼結体を３×４×４０ｍｍに加工し、３点曲げ強度を測った。
結晶粒径は、焼結体の断面の電子顕微鏡写真から求めた。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施の形態を実施例と比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
［実施例１］
Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２粉末を金型で４５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で７０φ×５ｍｍの形状に成形し、真空中（１×１０−３Ｐａ）で、表１に示す温度と時間で焼結した。焼結温度・時間を変えることによって、求める気孔率及び平面粗さにした。別途、機械的強度測定用に、３×４×４０ｍｍの焼結体も製作した。
得られた焼結体について、表面粗さ（Ｒａ）、気孔率、結晶粒子径、フッ酸への溶解度、光線透過率、３点曲げ強度を測定した。求めた結果を、焼結条件とともに、表１に示す。
【００１４】
［比較例１］
Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２粉末を金型で４５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で実施例１と同様の形状に成形し、真空中（１×１０−３Ｐａ）で所定温度・時間で焼結した。焼結温度・時間を変えることによって、求める気孔率及び平面粗さにした。
実施例１と同項目について測定した。求めた結果を、焼結条件とともに、表１に示す。
【００１５】
［比較例２］
Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２粉末とＹｂ３Ａｌ５Ｏ１２にＳｉＯ２を１０００ｐｐｍ添加した粉末の２種類を用意した。金型で４５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で成形し、真空中（１×１０−３Ｐａ）で所定温度・時間で焼結した。焼結温度・時間を変えることによって、気孔率を２％のものを製造した。また、気孔率１％以下の焼結体で、平面粗さを３μｍを超えるものも製造した。実施例１と同項目について測定した。求めた結果を、焼結条件とともに、表１に示す。
【００１６】
【表１】
表１より、希土類・アルミニウム・ガーネット焼結体（Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２）は、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）より、フッ酸溶液への溶解速度が遅い。このことより、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対して、Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２がＹＡＧより耐食性があることがわかる。Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２焼結体でも気孔率の高いものや表面が粗いものもフッ酸溶液への溶解速度が速いことより、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対して、Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２焼結体でも気孔率の高いものや表面の粗いものは腐食されやすい。また、ＳｉＯ２を添加することにより、曲げ強度が低下し、腐食されやすくなる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明では、メタルハライドランプおよびナトリウムランプ等の放電ランプ発光管に使用される透光性部材として、Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現される希土類元素・アルミニウム・ガーネット焼結体が、ハロゲンガスやＷやナトリウム蒸気に対する耐食に替えて調べた弗酸溶液に対する溶解度が小さく、可視光線に対する光線透過率が５０％を超えるものであり、一方、人体に有害な紫外線や赤外線を遮断する。かつ、機械的強度も十分にあるものが得られる。
Claims (2)
- Ｙｂ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 で表現されるガーネット構造で、その表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下、気孔率が１％以下の焼結体であり、可視光の光線透過率５０％以上であることを特徴とする放電ランプの発光管に使用される透光性部材。
- 上記焼結体の結晶粒径が３０μｍ以下である請求項１に記載の透光性部材。
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|---|---|---|---|
| JP11506699A JP4144968B2 (ja) | 1999-04-22 | 1999-04-22 | 透光性部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11506699A JP4144968B2 (ja) | 1999-04-22 | 1999-04-22 | 透光性部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000302543A JP2000302543A (ja) | 2000-10-31 |
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Family
ID=14653341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11506699A Expired - Fee Related JP4144968B2 (ja) | 1999-04-22 | 1999-04-22 | 透光性部材 |
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1999
- 1999-04-22 JP JP11506699A patent/JP4144968B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000302543A (ja) | 2000-10-31 |
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