JP4567134B2 - セラミック製の放電管を備えたメタルハライドランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の上位概念部に基づくセラミック製の放電管を備えたメタルハライドランプに関する。本発明は、特に、少なくとも１００Ｗの出力を備えたメタルハライドランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
欧州特許出願公開第５８７２３８号明細書には、セラミック製の放電管と一般的なタイプの耐ハロゲン化物貫通部材とを備えたメタルハライドランプが既に開示されている。放電部に面した貫通部材の前部は、導電性のサーメット（セラミック相と導電相とを備えている）から成っていてよい。セラミック相は、酸化アルミニウム、ＭｇＯ、Ｓｃ₂Ｏ₃又はＹ₂Ｏ₃である。サーメットのために提案される導電相は、耐ハロゲン金属、例えばタングステン又は二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）である。これらのランプにおいては、希土類金属（ＲＥ）のハロゲン化物から成る充填成分を使用することが慣例である。この文書においてはＤｙＩ₃が推奨されている。択一的に、Ｓｃ、Ｙ、Ｈｏ又はＴｍのヨウ化物を使用することが推奨されている。
【０００３】
欧州特許出願公開第８８７８３９号明細書は、セラミック製の放電管を備えたメタルハライドランプのための貫通部材として、連続的なサーメットピンを使用することを推奨している。
【０００４】
これらの構成の欠点は、充填物において形成される希土類金属イオンの大きな割合が、短い動作期間の後でさえも、セラミック（通常酸化アルミニウム）との反応により結合されることである。したがって、これまではかなりの過剰を使用することが必要であったが、このことは腐食特性の観点からあまり望ましくない。択一的に、より少ない量が使用されるならば、色ドリフト及び動作電圧の増大等の効果によってランプの保守及び耐用寿命にかなりの制限が課せられることを受け入れなければならなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、耐用寿命が改善された、請求項１の上位概念部に記載されたセラミック放電管を備えたメタルハライドランプを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、請求項１の特徴によって達成された。特に有利な構成は、従属請求項に記載されている。
【０００７】
本発明は、貫通部材の端面領域における高温により充填物からの希土類金属イオンが有利には貫通部材の前部ゾーン領域において、又は放電容量と接触した貫通部材の前部の少なくとも表面において結合されることを発見したことに始まる。これは、優先的に、貫通部材の前側の放電側端部を意味する。なぜならば、これは、動作時に最高温度に達する箇所であるからである。これに対し、放電領域自体とシール手段（通常ストッパ）とに対する影響は著しく少ない。
【０００８】
したがって、ある環境においては貫通部材を前側の、特に耐ハロゲン化物部分と危険性の少ない後部とに分割することが賢明である。前側の部分は、セラミック相と導電相とを備えたサーメット部材である。
【０００９】
正確な調査は、サーメット部分のセラミック相との希土類金属イオンの反応は、特に、電極近傍のサーメットの部分において、化学的成分との結合を生ぜしめる。この化学的成分は、使用されるセラミックが酸化アルミニウムならば、ざくろ石（ＲＥ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）、灰チタン石（ＲＥＡｌＯ₃）又はこれらの混合物にほぼ対応する。同じことが他のセラミックにも適応する。この化学的に安定的な組成が短い動作時間の後に得られるならば、この組成はこの後の動作又は耐用寿命の間に変化することはない。
【００１０】
今や部材全体であるか放電部に面した表面上のゾーンであるかに拘わらず、サーメット部材のセラミック相が、セラミックベース材料と少なくとも１つの希土類金属酸化物から形成された対応する結合物のかなりの割合（有利には少なくとも４０、特に８０ｍｏｌ％よりも多い）を含んでいるならば、放電に曝されたサーメット部材又はこのサーメット部材のゾーンは、もはや充填物からいかなる希土類金属も結合することはできない。したがって、ランプの充填物、結果的に保守は、過剰な量の充填物を使用する必要なしに、より長い耐用寿命のために安定的である。ざくろ石又は灰チタン石構造を有する表面は、前側に配置されていてよく、適切ならばサーメット部材の側面に配置されていてもよい。
【００１１】
特に、本発明は、放電ランプが、シール手段によって閉鎖された２つの端部を有する、セラミック放電管を備えたメタルハライドランプに関する。これらの各シール手段を１つの導電性の貫通部材が空密形式で貫通して案内されており、これらの貫通部材には、シャンクを備えた電極が取り付けられており、この電極は放電管の内部へ突入している。少なくとも放電部に面した貫通部材の前部は、導電性のサーメットから形成された耐ハロゲン化物部材として形成されている。導電性サーメットは、導電相（有利には金属相）と、セラミックベース材料から成るセラミック相とから成っている。充填材は、通常ハロゲン化物又は複合物として、又は択一的に元素形式で、少なくとも１つの希土類金属（すなわちＳｃ、Ｙ、Ｌａ及び１４のランタノイド）から成っている。少なくとも部材の端面（前側）において、少なくともセラミック相の一部は、セラミックベース材料と１つ又は２つ以上の希土類金属酸化物との結合物から成っている。
【００１２】
サーメット部材は、有利にはピン又は管である。サーメットの導電相は、通常、モリブデン、タングステン、レニウム、これらの合金、又はＭｏＳＩ₂等のケイ化金属等の金属である。
【００１３】
最も信頼性のよい解決策は、最も高価でもあるならば、少なくともセラミック相の一部が部材の全長に亘ってセラミックベース材料と１つ又は２つ以上の希土類金属酸化物との組合せから成っていることである。セラミック相全体が、セラミックベース材料と１つ又は２つ以上の希土類金属酸化物との組合せから成っていると有利である。サーメット部材は、貫通部材の前部又は貫通部材全体を形成していてよい。
【００１４】
セラミックベース材料は、通常多結晶の酸化アルミニウムである。
【００１５】
第１実施例では、サーメット部材のために使用される希土類金属酸化物は、充填物に含まれた希土類金属の１つ又は２つ以上又は全ての酸化物から成っている。
【００１６】
第２実施例では、希土類金属酸化物は、充填物に含まれていない１つ又は２つ以上の希土類金属の酸化物、特にＹ₂Ｏ₃から成っている。
【００１７】
第３実施例では、最初の２つの実施例の組合せが使用される。
【００１８】
特に有利な実施例では、セラミックベース材料と１つ又は２つ以上の希土類金属酸化物との組合せは、ざくろ石、灰チタン石又はこれらの混合物に相当する。
Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ又はＧｄの酸化物は、灰チタン石として使用されると有利である。Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ及びＹの酸化物はざくろ石として使用されると有利である。残りの希土類金属酸化物は、両構造及びこれらの組合せに特に適している。
【００１９】
使用される希土類金属が、主として又は専ら、できるだけ小さなイオン半径を有する希土類金属の酸化物であることは特に単純かつ効果的である。なぜならば、このような希土類金属のイオンは、サーメット部材のセラミック相内に有利に拡散するからである。特に、最小のイオン半径を有する充填物における希土類金属イオンのイオン半径以下のイオン半径を有する単一の希土類金属酸化物を使用すれば十分である。少なくとも約０．０９１ｎｍまでの有効なイオン半径が推奨される。配位数６を備えたスカンジウムイオン（Ｓｃ³⁺）が特に適している。この実施例は、充填物の特定の選択とは無関係であり、これにより、この実施例は多数のタイプに共通して使用することができるという利点を有する。
【００２０】
シールが、可融性のセラミックによって行われるか直接の焼結によって行われるかに拘わらず、この特別なサーメット成分は、セラミック放電管を備えた全てのメタルハライドランプのために使用することが可能である。
【００２１】
特別なサーメットは、原則的には、対応する粉末混合物を処理することによって自体公知の形式で製造されてよい。ランプの製造のためのこのような材料（特にイットリウム−アルミニウムざくろ石）の根本的な適性は既に知られている（米国特許第５６９８９４８号明細書参照）。しかしながら、この文書では、この材料は放電管のために使用されている。これに対して、半透明性の要求は、貫通部材の場合には意味を持たない。
【００２２】
シール手段（通常ストッパ）は有利にはセラミック又はサーメット（例えば適切にドーピングされた酸化アルミニウム）から成っており、この場合、サーメット部材のセラミックベース材料は、シール手段の主要なセラミック構成部分、この場合、ひいては酸化アルミニウムに対応する。この構成は、２つの部材の熱膨張係数が類似であるという利点を有しており、これにより、サーメット成分をストッパに直接に焼結することが特に容易である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面につきさらに詳しく説明する。
【００２４】
図１は、２５０Ｗの出力を有するメタルハライドランプを概略的に示している。メタルハライドランプは、ランプ軸線を規定した円筒状の外管１を有しており、この外管１は、石英ガラスから形成されていて、両側において挟持されており（２）、キャップが被せられている（３）。Ａｌ₂Ｏ₃セラミックから形成された軸線方向に配置された放電管４は、中央５において膨らんでおり、円筒状の２つの端部６ａ及び６ｂを有している。放電管４は、２つの供給導体７によって外管１内に保持されており、供給導体は、箔８を介してキャップ部３に接続されている。供給導体７は、放電管の端部に設けられた端部ストッパ１１にそれぞれはめ込まれた貫通部材９，１０に溶接されている。
【００２５】
貫通部材９，１０は、導電性サーメットから形成された、約１ｍｍの直径を有するサーメットピンである。
【００２６】
両貫通部材９，１０は、ストッパ１１の全長に亘って延びており、放電側において、タングステンから形成された電極シャンク１５と放電側端部に押し込まれたフィラメント１６とから成る電極１４を保持している。各貫通部材９，１０は、電極シャンク１５と外側の供給導体７とに突合せ溶接されている。
【００２７】
放電ランプの充填物は、例えばアルゴン、及び水銀でも可能な不活性燃焼ガスに加え、金属のハロゲン化物の付加物から成っており、そのうちの少なくとも一方が希土類金属である。
【００２８】
例えばほぼＡｌ₂Ｏ₃から成る端部ストッパ１１は、シール手段として使用されている。主要な成分としてＡｌ₂Ｏ₃を含む非導電性サーメットを使用することも可能であり、この場合、金属成分は、約３０重量％を形成するタングステン（又は択一的に、対応してより高い割合を形成するモリブデン）である。
【００２９】
各貫通部材９，１０は、ストッパ１１に直接に焼結されている。同様に、各ストッパ１１も、放電管の円筒状の端部６内に直接に（すなわちはんだガラス又は可融性セラミックを使用せずに）焼結されている。
【００３０】
さらに、自体公知の形式で放電管を空にしたり充填するために使用される軸線方向に平行な孔１２が、第２の端部６ｂのストッパ１１に設けられている。放電管が充填された後、この孔１２は、ピン１３又は可融性セラミックによって閉鎖される。ピンは通常セラミック又はサーメットから成っている。
【００３１】
例えば、適切な貫通部材９，１０は、サーメットピンであり、このサーメットピンは、ベース材料酸化アルミニウムを備えたセラミック相に加えて、少なくとも４４容量％（有利には４５〜７５容量％）の金属をも含んでおり、導電性である。７０〜９０重量％のタングステン又は５５〜８０重量％のモリブデン（又は容量が等しい所定量のレニウム）が特に適している。セラミック相は全体がざくろ石から成っている（以下参照）。
【００３２】
端部ストッパのための適切な材料は、貫通部材よりも少ない量（有利には貫通部材に含まれた量の約半分）の金属を含むサーメットである。これに関連して、ストッパの本質的な適性は、ストッパの熱膨張係数が、貫通部材の熱膨張係数と放電管の熱膨張係数との間であるということである。しかしながら、ストッパは金属を含んでいなくてもよい。
【００３３】
電極は、貫通部材がストッパ内に焼結される前に貫通部材の端面に溶接される。溶接可能なサーメットピンは、ストッパへの最終的な焼結の前に既にほとんど予め焼結されている。
【００３４】
充填物内のハロゲン化金属により、以下の成分（重量％で示した）との相互作用によって昼白色光色（ＮＤＬ）が得られる（色温度は約４３００Ｋである）：ＴｌＩ９．０％；ＮａＩ３２．５％；希土類金属ヨウ化物Ｄｙ₂Ｉ₃、Ｈｏ₂Ｉ₃、Ｔｍ₂Ｉ₃それぞれ１９．５％。
【００３５】
すなわち、充填物における希土類金属イオンの最初の割合（重量％で示した）は：
Ｄｙ³⁺５．８％、Ｈｏ³⁺５．９％、Ｔｍ³⁺６．０％
種々異なる組成のサーメットピンを有する同一の構成のランプで比較を行った。対照群では、慣用のサーメットピンが使用された（セラミック相としては酸化アルミニウムのみを含んでいる）。本発明によるサーメットピンは、付加的に希土類金属酸化物を使用した。
【００３６】
動作時には、慣用のサーメットピンの電極に近い部分においては、充填物との反応が、酸化アルミニウム６２．５モル％（３０．９重量％）、酸化ジスプロシウム９．６モル％（１７．４重量％）、酸化ホルミウム１１．５モル％（２１．１％重量％）、及び酸化ツリウム１６．４モル％（３０．６重量％）の化学的結合に相当する安定構造を生ぜしめた。この安定構造は、化学式０．７７Ｄｙ₂Ｏ₃・０．９２Ｈｏ₂Ｏ₃・１．３１Ｔｍ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃のざくろ石に相当する。全体としては、Ｄｙの２２％、Ｈｏの２７％及びＴｍの３８％が充填物から除去されて、サーメットに組み込まれた。
【００３７】
慣用のサーメット部材の反応したセラミックは、他の２つの希土類金属イオンよりも、最小の有効イオン半径を有する希土類金属イオン、すなわちＴｍを著しく多く含んでいた：
Ｄｙ³⁺１５．２重量％；Ｈｏ³⁺１８．４重量％；Ｔｍ³⁺２６．８重量％
充填物は、３つの希土類金属のほぼ等しい濃度を含んでいるが、明らかに、種々異なるイオン半径により、Ｄｙよりも、Ｈｏは２２％多く、またＴｍは７７％多くサーメット部材に拡散する。イオン半径のこのような僅差がこのような顕著な結果を生じ得ることは極めて驚くべきことである。
【００３８】
本発明の第１の典型的な実施例においては、使用されるサーメット部材は、最初から、セラミック相として、自然に形成されたほぼ平衡分布を有しており、これにより、この拡散プロセスが予想される：
酸化アルミニウム３１重量％；酸化ジスプロシウム１５重量％；酸化ホルミウム２０重量％及び酸化ツリウム３４重量％
第２の典型的な実施例においては、このサーメット部材のために使用されるセラミック相は、ベース材料としての酸化アルミニウムを備えた、希土類金属の酸化物としてＴｍ₂Ｏ₃のみを使用する標準的なざくろ石であった。
【００３９】
結果はほぼ同じであった。対照群と比較して典型的な両実施例の有効耐用寿命をファクタ１．５よりも多く延長することができた。予想されたように、第１実施例は第２実施例よりも約１０％優れていたが（なぜならば、他の別の希土類金属イオンがサーメットに依然として拡散するからである）、この比較的小さな改良は、費用が著しく増大するので、常に正当化されるわけではない。
【００４０】
第３の典型的な実施例においては、使用される希土類金属の酸化物はＳｃ₂Ｏ₃（又は択一的にＹｂ₂Ｏ₃）である。これらの両イオンは、充填物において使用される希土類金属イオンよりも小さなイオン半径（それぞれ０．０７５及び０．０８７ｎｍ）を有している。結果的な耐用寿命は、第２実施例の耐用寿命にほぼ相当する。
【００４１】
第２実施例（図３）においては、非導電性のストッパ２６が、ほぼ円筒状の放電管２５の各端部に直接に焼結されている。貫通部材は、５０重量％の金属を含む導電性のサーメットピン９，１０である。残りはセラミック相である。酸化アルミニウムから成るストッパ２６は、同心的な２つの部分、すなわち外側の環状のストッパ部分２１と、内側の毛管２０とから成っており、この毛管２０は、ほぼ２倍の長さを有している。しかしながら、毛管は、公知の毛管技術の場合よりも約５０％短い。ストッパ部分２１よりも長い毛管の構造的長さは、シール性能を向上させる。サーメットピン９は毛管２０内に配置され、この毛管内に直接に焼結される。外側のストッパ部分２１には充填孔２２が設けられている。
【００４２】
サーメットピンが毛管内に配置されるので、端面１９における約１ｍｍの軸線方向長さに亘ってのみセラミック相としてＥｕ₂Ｏ₃灰チタン石構造が使用され、この灰チタン石セラミック相は、これに続く移行ゾーンにおいて、ピンの端部において使用される、純粋な酸化アルミニウム相を備えた公知の構造に徐々に融合する。
【００４３】
図４には、２つの部分から成るサーメットピン２７が示されている。前部２８は、セラミック相として、ベース材料としての酸化アルミニウムと、希土類金属酸化物としてのＥｒ₂Ｏ₃とを備えたざくろ石構造を有している。前部２８は、軸線方向の突出部２９を有しており、この突出部２９によって、前部が、この前部の背後に配置された延長片３０に設けられた円筒状の孔に嵌合させられる。２つの部分は、直接的な焼結によって結合される。
【００４４】
択一的に、サーメットピン３１の２つの部分は、図５に示したように互いに突合せ溶接されることができる。これらの部分のサーメットは、両部分における金属相（Ｍｏ）が約５０容量％を形成しているので溶接可能である。この場合、前部３２と延長部３３とはほぼ等しい長さを有している。前部においては、端部側と側面とにおける５００μｍの幅領域のためにセラミック相としてＹＡＧ（イットリウム−アルミニウムざくろ石，３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃）が使用されている。
充填物からサーメットへ拡散する希土類金属に対する有効な保護は、最低で２００μｍの厚さを有する領域を必要とすることが分かった。２００〜７００μｍの厚さを用いた場合に良好な結果が得られる。
【００４５】
図６には別の実施例が示されており、この場合、酸化アルミニウムから成る円筒状のセラミック放電管４０の端部は、セラミック端部プレート４１と管状のストッパ４２とによって閉鎖されている。２つの部分から成る貫通部材４３は、はんだガラス４４によってストッパにおいてシールされている。貫通部材４３は、放電側のサーメットピン４５と、放電側とは反対側のニオビウムピン４６とから成っている。サーメットピンには電極４７が取り付けられている。サーメットピンの表面は、３００μｍの厚さを有するＹＡＧ層４８によって被覆されている。
サーメットピンの導電相（６０容量％）は、ＭｏＳｉ₂から成っているのに対し、セラミック相（残りの相）は、Ａｌ₂Ｏ₃５０モル％と、ＹＡＧとＥｕ₂Ｏ₃灰チタン石との混合物５０モル％とから成っている。充填物は、希土類金属ヨウ化物としてＤｙＩ₃及びＣｅＩ₃を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【図１】メタルハライドランプを示す縦断面図である。
【図２】サーメットピンにおける様々な希土類金属の割合を示す図である。
【図３】メタルハライドランプの放電管を示す図である。
【図４】サーメットピンの別の実施例を示す図である。
【図５】サーメットピンのさらに別の実施例を示す図である。
【図６】放電管の別の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 外管、 ２ 挟持部、 ３ キャップ、 ４ 放電管、 ５ 中央、 ６端部、 ７ 導体、 ８ 箔、 ９，１０ 貫通部材、 １１ ストッパ、 １２ 孔、 １３ ピン、 １４ 電極、 １５ 電極シャンク、 １６ フィラメント、 １９ 端面、 ２０ 毛管、 ２１ 外側のストッパ部分、 ２２充填孔、 ２５ 放電管、 ２６ ストッパ、 ２７ サーメットピン、 ２８ 前部、 ２９ 突出部、 ３０，３３ 延長片、 ４０ 放電管、 ４１ 端部プレート、 ４２ ストッパ、 ４３ 貫通部材、 ４４ はんだガラス、４５ サーメットピン、 ４６ ニオビウムピン、 ４７ 電極、 ４８ 層

Claims (9)

1. セラミック製の放電管（４）を備えたメタルハライドランプにおいて、
   前記放電管が、シール部材によって閉鎖された２つの端部（６）と、空密に前記シール部材を貫通して案内された導電性の貫通部材（９，１０；３０）とを有しており、
   該貫通部材に電極（１４）が取り付けられており、
   該電極が、放電管の内部に突入しており、
   前記貫通部材の、少なくとも放電部に面した前部（４５）が、導電性のサーメットから成る耐ハロゲン化物部材として形成されており、
   前記サーメットが、金属製でありかつ導電性の第１相と、セラミック製でありかつセラミックベース材料を有する第２相とから成っており、
   充填物が、少なくとも１つの希土類金属を含んでおり、
   充填物に接触し得るサーメット部材の少なくとも表面（２８；３２）において、少なくとも前記のセラミック製の第２相の一部が、１つ又は２つ以上の希土類金属酸化物と結合したセラミックベース材料を含むことを特徴とする、
   セラミック製の放電管を備えたメタルハライドランプ。
2. 前記サーメットが、導電層としてモリブデン、タングステン、レニウム、これらの合金、又はＭｏＳｉ_２を含んでいる、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。
3. 前記セラミックベース材料が、酸化アルミニウムである、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。
4. 前記の希土類金属酸化物が、充填物に含まれた希土類金属のうちの一部の酸化物又は充填物に含まれた希土類金属の全ての酸化物から成っている、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。
5. 前記の希土類金属酸化物が、充填物に含まれていない１つ又は２つ以上の希土類金属の酸化物から成っている、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。
6. 前記の１つ又は２つ以上の希土類金属酸化物と結合したセラミックベース材料を含むセラミック製の第２相は、ざくろ石、灰チタン石、又はざくろ石と灰チタン石との混合物である、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。
7. 使用される前記の希土類金属酸化物が、主に、可能な限り最小のイオン半径を有する希土類金属酸化物であるか、または可能な限り最小のイオン半径を有する希土類金属酸化物だけからなる、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。
8. 使用される前記の希土類金属酸化物が、主に、充填物に含まれた希土類金属のイオン半径以下のイオン半径を有する希土類金属の酸化物であるか、または充填物に含まれた希土類金属のイオン半径以下のイオン半径を有する希土類金属の酸化物だけからなる、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。
9. 充填物が、ハロゲン化物として希土類金属を含んでいる、
   請求項１記載のメタルハライドランプ。

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