JP4312251B1

JP4312251B1 - Ｈｉｄランプ

Info

Publication number: JP4312251B1
Application number: JP2008174133A
Authority: JP
Inventors: 育宏加藤
Original assignee: 育宏加藤
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: JP2010015801A; WO2010001531A1

Abstract

【課題】封止部位について、仮に亀裂が発生しても当該亀裂の進展を阻止する構造からなるＨＩＤランプを提供する。
【解決手段】セラミックス製放電容器の両端に設けた封止部位に、電極または電極が溶接された栓体を挿通し、電極または電極が溶接された栓体と封止部位との隙間をフリットガラスを介して気密に保持するＨＩＤランプにおいて、前記ガラスは、Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯからなる２元系、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３からなる２元系のフリットガラス好ましくはＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２からなる３元系以上のフリットガラスに、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ_４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ_３（酸化タングステン）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）又はＣｅＯ_２（酸化セリウム）などの微粒子がガラスに固溶しないで均一に分散している構成。
【選択図】図３

Description

本発明は放電ランプのうち、長寿命・高効率・高演色性能を発揮するＨＩＤランプに関する。

メタルハライドランプなどのＨＩＤランプは、セラミックス製放電容器の両端部に封止部を設け、この封止部に電極または電極を溶接した栓体を挿入し、セラミックスチューブ内側と電極（栓体）外側との隙間にフリットガラスを溶融せしめ、充填することで、ランプ封体を気密に保持する構造になっている。

放電容器の材料としては、一般に高純度アルミナセラミックス、ＹＡＧ、酸化イットリウム‥が用いられ、電極材料にはＷとＭｏやＮｂなどの組み合わせと溶接が使われる。また放電容器内には窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン‥のレアアースガスもしくはこれら混合ガス、水銀やナトリウムハロゲン化物の他に、高演色性を発現させる目的でＤｙなどの希土類金属ハロゲン化合物が通常封入されている。

ランプの気密性を長期に持続させるために、前記のフリットガラスは放電容器の熱膨張および電極（栓体）の熱膨張と近似の熱的挙動を有するものを採用しなければならない。

このため、特許文献１にはＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３系のガラスが提案されている。また特許文献２にはＡｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ系ガラスのＡｌ_２Ｏ_３の一部をＧａ_２Ｏ_３に置換し、その組成割合を共晶組成として溶融温度の低温化を図る提案がされている。更に特許文献３にはＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２からなる３元系のフリットガラスが提案されている。

また、ガラスは一般的に非晶質とされるが、意図的に結晶を析出させた結晶化ガラスは耐熱性ガラスとして、旭硝子株式会社のネオセラム（商品名）、石塚硝子株式会社のＨα-４３（商品名）などとして既知である。

特公昭５６−８８８４３号公報特開平８−１４３３２８号公報特開２００８−１０８６９０号公報

ＨＩＤランプは点灯により常時９００℃以上の高温になる。そして点灯と消灯を繰り返すことにより、高温と室温の間を繰り返す。とくにＨＩＤランプに用いられるセラミックスは冷却に対する強度が弱く、消灯時に封止部位に亀裂が入り易い欠点がある。
特許文献１〜３に開示される組成も、熱膨張はセラミックス製放電容器の熱膨張に類似のため、亀裂が入らなければ気密性は保たれるが、一箇所でも亀裂が入れば、当該亀裂は一挙に進展してしまい、気密性が破れランプの寿命は尽きる。

一方、結晶化ガラスは通常のガラスに比べて亀裂が進展し難く、耐熱性に優れるとの記述もあるが、ＨＩＤランプの製造上の観点、とくにメタルハライドとの化学安定性の点で課題を残している。

上記課題を解決すべく本発明は、セラミックス製放電容器の両端に設けた封止部位に、電極または電極が溶接された栓体を挿通し、電極または電極が溶接された栓体と封止部位のセラミックスチューブとの隙間をフリットガラスを介して気密性を保持するＨＩＤランプにおいて、前記フリットガラスは、主としてＡｌ_２Ｏ_３−ＣａＯからなる、またはＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３からなる２元系のフリットガラス、好ましくは、主としてＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２からなる３元系のフリットガラスであって、これらに固溶しない酸化物や金属の微粒子が均一に分散・分布する構成とした。これによりいわゆる粒子分散効果によって強度の信頼性向上に貢献する。

前記フリットガラスに固溶しない微粒子としては、例えばＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ_４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ_３（酸化タングステン）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）又はＣｅＯ_２（酸化セリウム）が挙げられる。またこれら固溶しない微粒子を用いる場合の混合比率は、フリットガラスを１００ｗｔ％の外比として、０．０５ｗｔ％を下限とし、２０ｗｔ％未満を上限とする。実験的に０．０５ｗｔ％未満では亀裂進展の抑制効果が不充分であり、また２０ｗｔ％以上とするとフリットガラスの熱的挙動が放電容器を構成するセラミックスチューブの熱的挙動と大きくずれてしまう。

前記のフリットガラスの製造は、これら主成分となる各酸化物を一旦白金‥の坩堝で溶解しガラス化した後、急冷却を施し、薄片状のカレットにする。これを微粉砕の後、有機バインダーを添加し、リング形状に成形・焼成する。

封止は、上記フリットからなるリングを高温で加熱せしめ低粘性になるまで溶解し、セラミックスチューブと電極の隙間に生じる毛細管現象を利用して、セラミックス封止部位と電極（栓体）との隙間を、完全にニオブと溶接部位が覆ってしまうまで封着する。封止に用いるフリットリングは、例えば共晶点付近に融点を持つ混合割合とされた２元系または３元系の酸化物粉末に、前記ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ_４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ_３（酸化タングステン）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）又はＣｅＯ_２（酸化セリウム）の粉末を添加し、同時に白金坩堝で加熱溶融することにより、ＺｒＯ_２又はＷＯ_３とフリットガラスとを均一化する。

次いで冷却後のカレットを微粉砕し、有機バインダーを加え、リング状に成形する。これを再び１０００℃以上に焼成することでフリットリングを得る。尚、前記固溶しない微粒子を添加する場合、それらの溶け易さからこれらの粒径は１．０μｍ以下の微粒が望ましい。

本発明に係るＨＩＤランプでは、フリットガラスの部位は非晶質ではあるが、その中に固溶できないＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ_４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ_３（酸化タングステン）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）又はＣｅＯ_２（酸化セリウム）の超微粒子酸化物が分散しているため、亀裂の進展は、これら微粒子の箇所で吸収され留まる。
その結果、ランプの致命的な亀裂を抑制する効果は飛躍的に向上する。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係るＨＩＤランプを組み込んだ製品の全体図、図２は本発明に係るＨＩＤランプの封止部位の拡大断面図、図３は封止ガラスの模式的断面図、図４（ａ）は溶融前の封止部位の断面図、（ｂ）は溶融後の封止部位の断面図である。

図１に示す製品の事例は前面ガラスが不要な３重管構造をなし、外側管１内に内側管２を配置し、この内側管２の中にアルミナなどのセラミックス製放電容器を備えたＨＩＤランプ３を組み込み、口金４から延びる導電体５、６をそれぞれＨＩＤランプ３の電極７、８に接続している。

前記ＨＩＤランプ３の両端部には封止部位９，９が形成されている。この封止部位９，９にはニオブ（Ｎｂ）またはニオブ合金からなる栓体１１，１２が挿通され、この栓体１１，１２にタングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）製の前記電極７、８が軸線が同軸上に一致するように溶接されている。

また、電極７、８の先端部と中間部に放熱用のコイル１３，１４を巻回している。このコイル１３，１４はタングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）製とし、先端部のコイル１３を中間部のコイル１４よりも小径として、低温でも熱電子が電極の先端から必ず放出される構造にしている。

また、前記封止部位９の内側と栓体１１，１２の外側の隙間はフリットガラス１５で気密に保持される。本実施例にあっては、フリットガラス１５は１５００℃付近に融点を持つＤｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系フリットガラスにＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ_４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ_３（酸化タングステン）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）又はＣｅＯ_２（酸化セリウム）の微粒子１６(１０μｍ以下)が均一に分散した構造を呈している。
ガラス溶解時には、これら微粒子は固溶することもあるがが、冷却時には析出する。

上記の封止を行うには、図４（ａ）に示すように、２つの封止部位９のうち、封止しようとする封止部位９が上になるようにし、この状態で上方から電極７および栓体１１を挿入する。このとき、電極の位置決めと落下を防止するためにＮｂワイヤー１８を栓体１１の外周に固着しても良い。またＮｂワイヤー１８の代わりに膨出部１９を形成してもよい。

次いで、栓体１１の外側にフリットリング１７を配置し、このフリットリング１７を瞬時に高温加熱することで溶融する。ここで、封止部位９の内径を０．７ｍｍ、栓体１１の外径を０．６６ｍｍとすると、封止部９と栓体１１との間には０．０２ｍｍ程度の隙間が形成されることになる。
この隙間は極めて狭いため、溶融したフリットガラスは、その自重と粘度降下によって、毛細管現象を引き起こし前記隙間内に進入し、冷却時に固化して封着のフリットガラス１５となる。

前記フリットリング１７は、例えば共晶点近傍の組成比率で混合されたＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２からなる３元系の酸化物に、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）又はＷＯ_３（酸化タングステン）の超微粉末を添加し、いったん白金坩堝に入れて高温で加熱溶融する。次いで急速冷却した後、粉砕し、有機バインダーと混ぜ、リング形状に成形し、これを仮焼することで上記リングを得ることができる。

点灯時、以上の封止部位のガラス１５に熱応力が発生すると、図３（ｂ）に示すように亀裂kが発生する。しかしながら、ガラス１５内には微粒子１６が均一に分散した構造になっているため、発生したクラックｋは微粒子１６の箇所で留まり、その進展は吸収阻止される。

実施例では、主として３元系のフリットガラスについて説明したが、Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯからなる２元系、或いはＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３からなる２元系のフリットガラスを用いても良い。また添加する微粒子としてはＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ_４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ_３（酸化タングステン）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）又はＣｅＯ_２（酸化セリウム）に限らず、フリットガラスに固溶しないものであれば金属や金属間化合物でも構わない。

本発明に係るＨＩＤランプの全体図本発明に係るＨＩＤランプの封止部の拡大断面図（ａ）はクラックが発生する前の封止ガラスの模式的断面図、（ｂ）はクラックが発生した後の封止ガラスの模式的断面図（ａ）は溶融前の封止部の断面図、（ｂ）は溶融後の封止部の断面図

符号の説明

１…外側管、２…内側管、３…ＨＩＤランプ、４…口金、５，６…導電体、７，８…電極、９…封止部、１０，１１…栓体、１３，１４…コイル、１５…封止ガラス、１６…微粒子、１７…フリットリング、１８…Ｎｂワイヤー、１９…膨出部、ｋ…亀裂。

Claims

セラミックス製放電容器の両端部に設けた封止部位に、電極または電極が溶接された栓体を挿通し、電極または電極が溶接された栓体とセラミックスチューブの、わずかな隙間をフリットガラスを介して気密性を保持するＨＩＤランプにおいて、前記封止のフリットガラスは、Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯからなる、もしくはＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３からなる２元系のガラス、またはＡｌ_２Ｏ_３−Ｄｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２からなる３元系以上のフリットガラスであって、そのガラス中に、ＺｒＯ _２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ _４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ _３（酸化タングステン）、ＴｉＯ _２（酸化チタン）又はＣｅＯ _２（酸化セリウム）の微粒子が固溶せず均一に分散・分布していることを特徴とするＨＩＤランプ。
請求項１に記載のＨＩＤランプにおいて、前記フリットガラスに固溶しない微粒子の混合割合は、フリットガラスを１００wt％(ｋｇ)と考え、外比で、０．０５ｗｔ％(ｋｇ)以上２０ｗｔ％(ｋｇ)未満であることを特徴とするＨＩＤランプ。