JP4228343B2

JP4228343B2 - 金属蒸気放電灯

Info

Publication number: JP4228343B2
Application number: JP2002344545A
Authority: JP
Inventors: 昇原口; 浩二吉田; 弘幸早川; 雅直工藤
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: JP2004179007A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属蒸気放電灯における透光性セラミック発光管の電極マウントの構成と発光管本体との封着技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のセラミック発光管は両端部に細管状セラミック突き出し端部を持ち、発光管の気密性を保つため、端部はガラスフリットにより封着され、この封着部には電流導入体として、発光管本体の材料であるアルミナとほぼ同じ熱膨張係数をもつニオブピンを用いて封着部の応力に対する信頼性を確保している（例えば、特許文献１参照。）。しかし、ニオブピンが発光管内部に露出していると発光管動作中に封入したハロゲン化物の液相と接触して腐食してしまう。そこで、ニオブピンを発光管内部に延在させず、さらにタングステンやモリブデンといった耐ハロゲン性の高い金属膜で被覆したりしている。
【０００３】
また、ハロゲン化物液相とニオブピンの接触防止方法として、シール剤であるフリットガラスでニオブピンを覆い、耐ハロゲン性中間材をニオブピンに溶接し、該耐ハロゲン性部材にかかるまでシール材セラミック細管とニオブピン−耐ハロゲン性中間材の間隙をみたすようにした構成が最も商業的には適している。セラミック細管とニオブピン−耐ハロゲン性中間材をシールするときの応力緩和およびニオブピンの温度を低下するために、耐ハロゲン性中間材としてはモリブデンロッドにモリブデンコイルを密巻きしたロッドを用いることが好適であり、このロッドは電極とニオブピンを結ぶ中間材として用いられることが多い。ここで、この中間材外径と細管内径との間隙は小さくすることが必要である。具体的に間隙の幅は０．１ｍｍ以下にすることが望ましい。なぜなら、それよりも間隙の幅が大きいと、発光管内に封入したメタルハライド成分が発光管の点滅とともに、この間隙に凝集して、発光管動作時のメタルハライド成分の蒸気圧が低下してしまい、ひいては、ランプの光色変化を招くからである。
【０００４】
また、金属ハロゲン化物によって腐食しやすい材料、例えばニオブピンのような材料を用いない方法がある。導電性サーメットロッドを電流導入体として、セラミック発光管の端部細管にガラスフリットを用いてシールする構造において、端部細管付き発光管の材質はアルミナであり、導電性サーメットロッドはアルミナとモリブデンが混合焼結したものである。この導電性サーメットロッドは電極芯棒のタングステンと溶接可能である。つまり比較的大きな電流を流すことができ、電極材料と突き合わせ溶接することができる。発光管の構成材料と導電性サーメットロッドの構成材料はともにアルミナであるので、両者をよりよく封着すことができる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１９６１３１号公報（３−８頁、図１）
【特許文献２】
特開２０００−１１３８５９公報（３−７頁、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、導電性サーメットロッドに直接タングステン製電極を溶接した構成のランプでは、ランプ寿命中において発光管の黒化が問題となる。その原因は導電性サーメットロッドより発生する不純ガスであり、防止策としては導電性サーメットロッドが発光管内の比較的低温部位、具体的には細管の端のほうだけに位置し、かつ、導電性サーメットロッドの体積を小さくすることが有効である。上記の理由で電極芯棒と導電性サーメットロッドの間に中間部材として、耐ハロゲン性部材の熱伝導を低くした構成の導体で両者を接続して導電性サーメットロッドの温度を過度に高温にしないことが重要であることが分かった。
【０００７】
導電性サーメットロッドをシール部に用いる構成でも、上述したようにニオブピンを用いた構成のときと同様に中間材として、モリブデンコイルロッドを用いることがやはり有効である。
【０００８】
しかし、ランプ動作時において、導電性サーメットロッドと発光管内に封入したメタルハライド成分の液相が接触すると、導電性サーメットの構成物であるアルミナと反応して、導電性サーメットロッドからアルミナがなくなり、特に、導電性サーメットロッドとモリブデンコイルロッドの溶接界面の導通不良が発生し、該部位が発熱して、引いては近傍のアルミナ細管よりクラックするといった問題があった。
また、上述の問題を回避するために、導電性サーメットを封着剤によって覆ってしまい、メタルハライド成分と接触しないようにすることができるが、モリブデンコイルロッドまでシール剤でアルミナ細管とシールすると、熱膨張率の違いからアルミナ細管にクラックが発生してしまう問題があった。特にこの問題は動作時の電流が大きくなる、即ち、電流導入体の直径が大きくなる２５０Ｗ以上の入力のランプで発生しやすい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、電極システムが挿通されて、ガラスフリットによって封着された細管を両端に備え、内部にハライドを含むイオン化放電物質が封入されたセラミック発光管を有する金属蒸気放電灯において、前記電極システムは少なくとも、電極、耐ハロゲン性中間材、及び、モリブデンとアルミナを混合した導電性サーメットロッドの３体の突き合せ溶接で構成されており、前記導電性サーメットロッドは耐ハロゲン性中間材よりも外径が小さく、かつ導電性サーメットロッドの耐ハロゲン性中間材との溶接部近傍の表面にはアルミナ層が形成されており、前記ガラスフリットは導電性サーメットロッドおよび耐ハロゲン性中間部材との溶接界面を覆っていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２は請求項１において、アルミナ層が耐ハロゲン性中間材からサーメット表面にかけて傾斜面を形成していることを特徴とする。
【００１１】
【実施例】
本発明で実施した発光管の構造を図１乃至図５を用いて説明する。図１及び図２において、発光管１１はアルミナ製であり端部が傾斜した円筒形状をしており、その両端部にはアルミナ細管１２が焼結により一体的に焼きばめられている。タングステン電極１３は抵抗溶接によりモリブデンロッド１４にモリブデンワイヤー１５を密に巻回した中間材（モリブデンコイルロッドと呼ぶ）の端部に同軸に接合した。この接合体のモリブデンコイルロッドにおいて、電極が溶接されていない側の端には導電性サーメットロッド１６を抵抗加熱により溶接した。
【００１２】
本実施例の発光管１１について寸法を記すと、発光管１１は２５０Ｗクラスの大きさであり、壁面負荷として、２３Ｗ／ｃｍ^２である。発光管１１の両端部に焼きばめられているアルミナ細管１２の発光管からでている部分の長さは１６ｍｍ、細管１２の内径は１．３ｍｍとした。導電性サーメットロッド１６は外径０．９ｍｍであり、アルミナ粉末とモリブデン金属粉末が等体積で混合焼結したものである。モリブデンコイルロッドは外径０．６ｍｍのモリブデンロッド１４に０．３ｍｍ径のモリブデンワイヤー１５を密巻きしたものであり、外径は１．２ｍｍである。また、モリブデンコイルロッドの端面は切り落とされていて平坦である。
【００１３】
モリブデンコイルロッドと導電性サーメットロッド１６の接合方法とアルミナ層１８の形成方法を述べる。一対の銅製セットジグにモリブデンコイルロッドと導電性サーメットロッド１６を同軸上にセットする。セットジグは電流の供給と溶接時の放熱といった２つの役割があり、ジグからの両部材の突き出し長を変えることで最高温となる部分を制御できる。また、両部材は押しつける方向に圧力を加えてある。また、両部材が溶融したときにどちらかが一定量移動することができる。
【００１４】
導電性サーメットロッド１６とモリブデンコイルロッド両部材を突きあてて、セットジグからの突き出し長を両部材とも等距離にして所定の圧力を加え、つきあてて設置し、電力一定で通電する両部材の接触抵抗によってジュール熱が発生し部材が溶融する。この溶融過程を詳細に説明すると、導電性サーメットロッド１６中のアルミナは２０００℃くらいで溶け始め、モリブデンの融点の２７６０℃よりも約７００℃ほど低い。
【００１５】
それゆえ、溶接中に導電性サーメットロッド１６が溶融すると溶けたアルミナだけが導電性サーメットロッド１６外表面に析出し、残ったモリブデン粒子が集合してモリブデン粒子の濃い部分が片方のモリブデンコイルロッド端面境界にできる。そして、導電性サーメットロッド１６とモリブデンコイルロッドの端面境界にアルミナが溶着する。このとき導電性サーメットロッド１６の外径はモリブデンコイルロッドの外径よりも小さいため、溶出したアルミナ層１８はモリブデンコイルロッドの外径よりも大きくなることはない。溶出したアルミナ層１８はモリブデンコイルロッドの外径よりも大きくならないように制御可能である。また、アルミナ層１８の傾斜面の幅は０．４ｍｍほどであった。
【００１６】
アルミナ細管１２の内径とモリブデンコイルロッドの外径との差は０．１mmほどであるので、もし、導電性サーメットロッド１６とモリブデンコイルロッドが同一外径であるならば、アルミナ層が突出する事により、アルミナ細管１２の内径より大きくなるので、アルミナ層を研削することが必要になり、全体として、電極システムの製作工程での歩留まりが低下する。このような理由からも、導電性サーメットロッド１６の外径はモリブデンコイルロッドの外径よりも小さいことが望ましい。
【００１７】
また、実験によってアルミナ層１８に傾斜をつける方法は、セットジグからの導電性サーメットロッド１６の突き出し長をモリブデンコイルロッドの突き出し長よりも短くすることで実現できることが分かった。
【００１８】
アルミナ層１８の傾斜部分は必ずしも、直線になるとは限らない。図３乃至図５に示すように、丸みを帯びた傾斜や凹凸面を持った傾斜も本発明の範疇である。
【００１９】
本発明の導電性サーメットロッド−モリブデンコイルロッド−電極接合体（電極マウント）をアルミナ細管中１２に挿入し、フリットリング成形体を細管端面上に置き、ヒーターによってフリットリング成形体と細管および電極マウントを加熱して、アルミナ細管１２と導電性サーメットロッド１６を、細管の端面より６ｍｍの距離にわたりシールした。
【００２０】
溶融したフリット１７はアルミナ細管１２と電極マウントの間隙を満たす。その際、フリット１７は導電性サーメットロッド１６とモリブデンコイルロッドの界面を越えて、モリブデンコイルロッド１３に約１ｍｍかかるぐらいに流入長を制御した。導電性サーメットロッド１６とモリブデンコイルロッドの界面を越えて、フリットを流入させる理由は発光管の動作中に導電性サーメットロッド１６とモリブデンコイルロッドの溶接部が発光管内部のメタルハライド成分と接触すると溶接界面付近の腐食が進行する可能性があり、これによって、溶接部分の電気抵抗増加による加熱、クラックを防止するためである。このような理由から、溶接界面にメタルハライド成分が浸透しないように配慮した。
【００２１】
シール剤１７のガラスフリットはディスプロシア−アルミナ−シリカ−酸化モリブデン粉末を適当量調整して溶融し、粉砕して適当なバインダーを加えてリング状に成形したものである。空気中で加熱し脱バインダー後さらに真空中で脱ガス処理をおこなった。
【００２２】
発光管１１の片端をシールした後、所定量の水銀およびヨウ化ディスプロシウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウムをもう一方の端部細管より投入後、第１端部と同様に電極マウントを発光管１１の端部アルミナ細管１２に挿通して、シールした。シール雰囲気は所定圧力のアルゴンガスであり、発光管１１への封入も目的としている。
【００２３】
本発光管を外径４８ｍｍの硬質ガラス製外球に封入して点灯したところ、色温度４０００Ｋ、全光束２４０００ｌｍ、Ｒａ９２を実現できた。
【００２４】
次に比較実験例について説明する。
実験としては、電極マウントのサーメットロッドとモリブデンコイルロッドの突き合わせ溶接において、両部材境界付近にアルミナ層を形成したものとしないものを作製して、実施例に記述した方法でシールをおこない、細管シール部にクラックが発生する頻度を調べた。なお、実験サンプルの寸法は、アルミナ細管として外径３．５ｍｍ、内径１．３ｍｍ長さ２５ｍｍのパイプを用いた。疑似的に電極マウントとして、前記外径１．２ｍｍのモリブデンコイルロッドに外径０．９ｍｍの導電性サーメットロッドを同軸上に突き合わせ溶接した。ここで導電性サーメットロッドはモリブデン：アルミナを１：１の体積比とする。また、ストッパーとして導電性サーメットロッド表面の所定の位置にニオブ金属ロッドを溶接したものを用いた。アルミナ細管内に挿入されるガラスフリットは導電性サーメットロッドにかかる部分を５ｍｍ、モリブデンコイルロッドにかかる部分を１ｍｍの長さとした。
【００２５】
導電性サーメットロッドとモリブデンコイルロッドの溶接部は導電性サーメットロッド表面の溶接境界近傍にアルミナ層を形成したものと形成しないものを用意したが、アルミナ層を形成しない方法は溶接電流を小さくし、両部材の押しつけ圧力を小さくすることで実現した。実験は各１０本アルミナ細管とシールをおこない、シール部分に発生するクラックの割合でアルミナ層があるときの優位性を判断した。表１に実験の結果を示す。
【００２６】
表１から明らかなようにアルミナ層を形成したほうがシール後に、アルミナ細管にクラックが発生する確率が減少することが分かった。この理由は、導電性サーメットロッドとモリブデンコイルロッドで形状的に形づくられる角部分がアルミナ層によって形成された傾斜を持つことで、シール後の溶融固化したフリットガラスに、応力がかかってクラックの起点となる部分がなくなり、クラックの発生が抑えられたと考えられる。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、細管を両端に備えた発光管のシール後のクラックを防止できて、比較的大きな入力をもつランプの発光管も従来の材料構成を大幅に変更することなく実現できる。
【００２９】
また、サーメットロッドの外径が中間部材の外径よりも小さいため、アルミナ層は中間部材の外径よりも外へ広がらず、アルミナ層を研削する必要がなくなったため、歩留まりが向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属蒸気放電灯の縦断面図である。
【図２】図１に示すサーメットロッドとモリブデンコイルロッド溶接部分の拡大断面図。
【図３】アルミナ層が丸みを帯びた、図２に示す拡大断面図。
【図４】アルミナ層が凹みを有する、図２に示す拡大断面図。
【図５】アルミナ層表面が凹凸面である、図２に示す拡大断面図。
【図６】サーメットロッドとモリブデンコイルロッド溶接部分の従来の拡大断面図。
【符号の説明】
１１発光管
１２アルミナ細管
１３タングステン電極
１４モリブデンロッド
１５モリブデンワイヤー
１６導電性サーメットロッド
１７フリット
１８アルミナ層

Claims

電極システムが挿通されて、ガラスフリットによって封着された細管を両端に備え、内部にハライドを含むイオン化放電物質が封入されたセラミック発光管を有する金属蒸気放電灯において、前記電極システムは少なくとも、電極、耐ハロゲン性中間材、及び、モリブデンとアルミナを混合した導電性サーメットロッドの３体の突き合せ溶接で構成されており、前記導電性サーメットロッドは耐ハロゲン性中間材よりも外径が小さく、かつ導電性サーメットロッドの耐ハロゲン性中間材との溶接部近傍の表面にはアルミナ層が形成されており、前記ガラスフリットは導電性サーメットロッドおよび耐ハロゲン性中間部材との溶接界面を覆っていることを特徴とする金属蒸気放電灯。
前記アルミナ層は耐ハロゲン性中間材からサーメット表面にかけて傾斜面を形成していることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気放電灯。