JP4524787B2

JP4524787B2 - メタルハライドランプ

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Publication number: JP4524787B2
Application number: JP2001022749A
Authority: JP
Inventors: 昇原口; 浩二吉田; 英行高橋; 弘幸早川
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP2002231186A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透光性セラミック発光管を用いたメタルハライドランプの改良に関し、特に発光管の電極システムとしての導電性部材の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック発光管を用いたメタルハライドランプは、ランプ特性として高い発光効率と高い演色評価数を有するのみならず、長寿命であるという理由で、屋内及び屋外用の一般照明ばかりでなく、産業機器用ランプとして利用されている。
特開平６−１９６１３１号公報には、発光管の構造としてセラミック管の両端部に細管状のセラミック製突き出し端部を形成したランプが開示されている。
特に、水素酸素透過性金属を電流導入体として用いる技術が示されている。
発光管の気密性を保持するため、端部のガラスフリットによる封着部に電流導入体として発光管材料であるアルミナとほぼ同じ熱膨張係数をもつニオビウム製の金属ピンを用いている。そして、封着部の応力に対する信頼性を確保している。
また、ニオブピンが発光管内部に露出しているとランプ点灯中に封入した金属ハロゲン化物の液相と接触して腐食してしまうために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等の耐ハロゲン性の高い金属膜で被覆している。
【０００３】
また、特開２０００−１１３８５９号公報には、金属ハロゲン化物によって腐食しやすい材料を用いない方法として、電流導入体としての導電性サーメット棒をセラミック発光管の端部細管内部にガラスフリットを介して封着する構造が開示されている。該端部細管付き発光管の材質はアルミナであり、導電性サーメット棒はアルミナとモリブデンを混合焼結したものである。この導電性サーメット棒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、電極部材と突き合わせ溶接することができる。
これは、発光管の構成材料と導電性サーメット棒の構成材料はアルミナであるので、封止用のガラスフリットとはフリット溶融温度で反応して、両者をよく濡らすことができる。このため界面は強固であり、発光管の動作温度で溶融した金属ハロゲン化物にも侵食されにくい構造とすることができる。
【０００４】
更に、特開２０００−９０８８３号公報には電流導入体として、端部を溶融により閉塞した後、電極を溶接した薄肉の耐ハロゲン性金属管を用い、セラミック発光管の端部細管内部にガラスフリットを介して封着する構造が開示されている。この構造は、薄肉の管を用いることより、熱膨張係数の異なる材料間における封着後の歪みの発生を小さくすることが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に発光管の材料がアルミナからなる場合、導電性サーメット棒の構成材料はモリブデン粒子とアルミナ粒子の混合焼結体である。このように選定することで両部材をシールする場合、熱膨張に対する整合がとりやすく、発光管シール部にクラックが発生することを避けることが可能となる。
また、導電性サーメット棒とセラミック端部細管をガラスフリットによりシールする場合、あらかじめセラミック細管内に導電性サーメット棒を挿入しておき、リング状に成形したガラスフリットをサーメット棒に通して細管の端面上に配置し、その周囲からヒーターを用いて加熱して該リング状フリットを溶融する。
溶融した液状のフリットガラスは細管と導電性サーメット棒との間隙に毛細管現象により浸透し、その間隙を満たす。なお、フリットガラスと導電性サーメット棒の表面に存在するモリブデンとの濡れ特性は溶融フリットによるモリブデンの酸化によって良好となる。また、導電性サーメット棒の表面に存在するアルミナとの濡れ特性は酸化物同士であり、よく反応し合う。
【０００６】
又、電流導入体として薄肉の耐ハロゲン性のモリブデン管を用いたセラミック発光管の端部細管のフリットによるシール方法も上記の導電性サーメット棒とほぼ同じである。異なるのは酸化物が含有されていないので、導電性サーメットに比べてガラスフリットの濡れ特性が悪いことである。このために、モリブデン管表面を酸化させるように、ガラスフリット中に溶融する温度で分解しやすい酸化モリブデンをわずかな量だけ加えている。
【０００７】
一方、上記のアルミナ−モリブデンのサーメット棒は基本的に焼結材であり、その粉末成形には有機系のバインダーを用いている。そのために、焼結後も数百ｐｐｍから数十ｐｐｍの炭素が残留することが、本願発明者らの行なった分析により判明した。また、薄肉のモリブデン管は成形工程でダイスによる引き抜きを数回繰り返すことで製作される。この際、潤滑剤として黒鉛が用いられる。そのためモリブデン管の表面から１０μｍほどの深さまで炭素が存在していることが判明した。
【０００８】
また、本願発明者らの実験の結果、炭素含有量の多い導電性サーメット棒と発光管のアルミナ端部細管とのガラスフリットによるシールの場合、サーメット棒に溶融した１４００℃以上のガラスフリットが接触すると、その時点でサーメット中の炭素成分とガラスフリットとが反応してＣＯやＣＯ_２の気泡が発生して、サーメットとアルミナ細管との間隙に充填されたフリットに発光管の内外を繋ぐリークパスを形成してしまうことが分かった。
【０００９】
さらに、発光管シール後発光管のリークは生じなくても上記のリークパス内に発光管内に封入した金属ハロゲン化物が凝集して発光に寄与しなくなり、ランプ光色の変化および発光効率の変化が生じるという問題もある。
これは、薄肉モリブデン管を用いた場合も上記した導電性サーメット棒を用いた場合とほとんど同一の現象が生じ、シール層中に気泡の列ができたり、炭酸ガスの発生が多い場合はガスの圧力でガラスフリットが間隙に流入できないという不具合が発生する。
【００１０】
つまり、耐ハロゲン性部材を電流導入体のシール部分に用いる場合、発光管本体の素材として用いられるアルミナセラミックの熱膨張係数を考慮して、シール部はモリブデンを素材とすることが多い。
一般にモリブデンは酸化物と反応しにくい物質であり、ガラスとの濡れ性を改善するためにはガラスフリットからの酸素の供給が不可欠となる。しかし、モリブデン中に存在する炭素と酸素は反応して炭酸ガスが発生し、緻密なガラスフリットの封着を阻害してしまうからであると考えられる。
【００１１】
本発明は前記に鑑みてなされたものであり、発光管シール部の気密性を損なうことなく、寿命期間を通して発光色の変化等がなく発光特性が優れ、かつ長寿命のメタルハライドランプを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、透光性セラミック管の両端に電極システムを挿通した細管を封着し、内部にイオン化放電物質を封入してなる発光管を備えたメタルハライドランプにおいて、前記電極システムは少なくとも電極部材と耐ハロゲン性の導電性部材により構成され、かつ前記発光管の細管内部に挿通した導電性部材をガラスフリットを介して封着してなり、前記導電性部材は化学的成分としての炭素の含有量が重量比で５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記電極システムはタングステン心棒の先端部にタングステンコイルを巻回して構成した電極部材と、モリブデン管の内部にモリブデン棒を挿通固定した導電性部材とよりなり、さらに前記電極システムは、タングステン心棒の先端部にタングステンコイルを巻回して構成した電極部材と、アルミナとモリブデンとの焼結体よりなる導電性サーメット棒よりなる。
さらに、前記導電性部材は、所定時間弱酸により溶融処理し、かつ所定時間、所定温度で真空加熱処理して製作することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１、図２に示すメタルハライドランプについて説明する。図１中、１はアルミナセラミック管からなる発光管であり、図２の要部説明図に示すように、放電管１１の両端部には細管１２が一体的に形成されている。このような発光管は一端に口金２を固定した硬質ガラス製の外管３内のマウントステム４に導入線を介して取り付けられている。なお、５は発光管１の外周に配置した石英製の円筒管である。
【００１５】
図２は前記発光管１の要部説明図であり、放電管１１は端部が傾斜した円筒形状をしており、その両端部には細管１２が一体的に焼結により焼きばめられている。細管内には電極システムが挿通されガラスフリットを介して気密に封着されている。電極システムは、その先端部にタングステンコイル１３を巻回したタングステン電極心棒１４と導電性サーメット棒１５とよりなり、タングステン電極心棒１４の端部と導電性サーメット棒１５とは抵抗加熱により溶接されている。
【００１６】
製造の際、電極システムは細管中に挿入され、細管と導電性サーメット棒がその端面より５ｍｍの距離にわたりガラスフリット１６を介してシールされている。ガラスフリットは酸化ディスプロシウム−アルミナ−シリカ−酸化モリブデンの粉末を調整して溶融し、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を用いている。
また、発光管の一端をシールした後、水銀およびヨウ化ディスプロシウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム等の金属ハロゲン化物を他方の端部より投入した後、前記と同様に他方の電極システムを他方の細管１２に挿通して、封着する。
【００１７】
そして、両端を封着した発光管端部より突出した導電性サーメット棒にニオブ線を抵抗加熱により溶接し、外管マウントステムの外部導入線と溶接する。
その後、ステムと外管を封止し、外管内を真空に排気し、口金を取り付ける。
なお、発光管の管壁負荷は１５０Ｗ入力で３０Ｗ／ｃｍ^２であり、ランプ特性は相関色温度３２００Ｋ、演色評価数９０、発光効率９５ｌｍ／Ｗである。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明に係るメタルハライドランプの実施例について、実験結果に基づいて説明する。
炭素含有量の少ない導電性サーメット棒を用いるためには分別するか炭素を除去するか２つの方法がある。本願明細書において炭素含有量の分析値をいくつか示すが、以下の方法で定量分析した。
試料を酸素気流中で燃焼して、発生した炭酸ガスを赤外線吸収法により分析した。その後既知の炭素量の溶液を用いて検量線を作成し、定量を行なった。
導電性サーメット棒を分析したところ、サーメット中のモリブデンと酸素が反応して酸化モリブデンが生成し、昇華する。これは、酸素気流中で加熱すると外側から内側に時間の経過と共に導電性サーメット棒中のモリブデンが昇華していく。そして、炭酸ガスの発生の仕方は導電性サーメット棒の中心部にも炭素が存在していることを示している。この理由により、サーメット棒の炭素の除去は困難と判断した。
【００１９】
次に、発光管の第２の実施例を図３に基づき説明する。
透光性アルミナ製のセラミック放電管２１は端部が傾斜した円筒形状であり、その中心孔には細管状のセラミック管２２（以下キャピラリー部という）、が一体的に焼結されている。
電極システムとしてキャピラリー部に挿通しシールされている部材はモリブデン管２３である。該モリブデン管２３の内部にモリブデン棒２４が貫通しており、モリブデン管２３の一端はプラズマ溶接により溶接されている。又、該溶接部にモリブデン管軸と同一軸上に電極心棒２５が抵抗加熱により溶接されている。
【００２０】
そして、所定の長さ分、電極心棒２５とモリブデン管２３がキャピラリー部２２から放電管内に挿入され、この電極システムがキャピラリー部２２の端部から５ｍｍの部分をガラスフリット２６を介して気密に封着されている。
このガラスフリットはアルミナ、シリカ、酸化ディスプロシウム、酸化モリブデンを組成としたガラス粉砕物であり、バインダーを混合してリング状に成形して使用する。
このフリットの熱膨張係数はモリブデンと発光管本体のアルミナとの中間であるほぼ５×１０^-7 である。これは、室温における封着後のモリブデ管、フリット層、アルミナキャピラリー部の応力を考慮すると、キャピラリー部の表面に引っ張り応力がかかり縦割れを起こそうとする。しかし、中心部のモリブデン管が薄肉のためにこの応力はキャピラリー部を破壊するまでに至らない。また、フリット層は圧縮応力となり、破壊に対しては強い。さらに、発光管内に封入された金属ハロゲン化物に対しても、応力腐食を起こしにくい。
このように、本発明に係るフリットは耐ハロゲン性および耐熱性を有している。
【００２１】
前記のように発光管の一端部をシールした後、所定量の水銀、金属ハロゲン化物としての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管内に投入し、他端部に前記と同様なモリブデン管２３、モリブデン棒２４及び電極心棒２５より構成した電極システムを挿入し、アルゴンガス中でガラスフリット２６を介して封着する。完成した発光管はモリブデン棒２４に外部リードが接続され、電流が供給される。この構造の電極システムは薄肉のモリブデン管に外部リードを接続していないので接続が容易である。
【００２２】
前記第２の実施例に係る電極システムの封着部分となるモリブデン管内に存在する炭素の除去方法について説明する。
除去方法として、弱酸で炭素が存在する表面層をモリブデン自体を溶解して除去する、いわゆる、エッチングを行なう。その後、真空中で加熱処理を行なう。
このような酸による処理は、エッチング時間、真空処理温度および時間によって処理後も残留している炭素濃度に差が生じる。
そこで、各々の処理工程において、サンプリングしたモリブデン管の炭素分析を行ない、炭素濃度とシールの良否について検証した。
【００２４】
その結果、モリブデン管内部に存在する炭素濃度を５０ｐｐｍ以下に規定することにより、フリットシールをポアのない良好なものとすることが確認できた。
【００２５】
図４は本発明に係る発光管の第３の実施例を示す。
図中３１は透光性アルミナよりなるセラミック放電管であり、その端部にはキャピラリー部３２が一体的に焼結されている。電極システムとして、タングステン電極３４と導電性サーメット棒３５とを、該サーメット棒３５とは異径の細径状サーメット棒３７よりなる中間部材を介して溶接し、更に外部リード３８を溶接して構成している。このような電極システムはキャピラリー部に挿通し、ガラスフリット３６を介してシールされている。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るメタルハライドランプは発光管シール部の気密性を損なうことなく、寿命期間を通して発光色の変化等がなく発光特性が優れかつ長寿命である等の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るメタルハライドランプの一実施例を示す側面図である。
【図２】同じく第１実施例の発光管の要部を示す説明図である。
【図３】同じく第２実施例の発光管の要部を示す断面図である。
【図４】同じく第３実施例の発光管の要部を示す説明図である。
【符号の説明】
１発光管
２口金
３外管
１１放電管
１２細管
１３タングステンコイル
１４タングステン電極
１５導電性サーメット棒
１６ガラスフリット
２１放電管
２２セラミック細管（キャピラリー部）
２３モリブデン管
２４モリブデン棒
２５電極心棒
２６ガラスフリット
３１放電管
３２キャピラリー部
３４電極心棒
３５導電性サーメット棒
３６ガラスフリット
３７導電性サーメット棒
３８外部リード

Claims

透光性セラミック管の両端に電極システムを挿通した細管を封着し、内部にイオン化放電物質を封入してなる発光管を備えたメタルハライドランプにおいて、前記電極システムは少なくとも電極部材と耐ハロゲン性の導電性部材により構成され、かつ前記発光管の細管内部に挿通した導電性部材をガラスフリットを介して封着してなり、前記導電性部材は化学的成分としての炭素の含有量が重量比で５０ｐｐｍ以下であることを特徴とするメタルハライドランプ。
前記電極システムは、タングステン心棒の先端部にタングステンコイルを巻回して構成した電極部材と、モリブデン管の内部にモリブデン棒を挿通固定した導電性部材とよりなる請求項１項記載のメタルハライドランプ。
前記電極システムは、タングステン心棒の先端部にタングステンコイルを巻回して構成した電極部材と、アルミナとモリブデンとの焼結体よりなる導電性サーメット棒よりなる導電性部材とよりなる請求項１項記載のメタルハライドランプ。
前記導電性部材は、所定時間弱酸により溶融処理し、かつ所定時間、所定温度で真空加熱処理して製作してなる請求項１乃至３項記載のメタルハライドランプ。