JP6229372B2 - セラミックメタルハライドランプの製造方法及びセラミックメタルハライドランプ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックメタルハライドランプの製造方法及びセラミックメタルハライドランプに関し、特に、放電容器の両端をシールする技術に関する。

近年、石英ガラス製の放電容器を用いるメタルハライドランプの代わりに、セラミック製の放電容器を用いるセラミックメタルハライドランプが広く普及している。セラミックメタルハライドランプでは、放電容器が透光性アルミナ等のセラミックによって形成されているため、封入物質との反応に起因した放電容器の劣化が少なく、ランプ寿命を改善することができる。

セラミックメタルハライドランプの放電容器は、典型的には、略回転楕円体形状の発光部とその両側の細管部からなる。細管部に、電極、電流供給導体、及び、リード線を有する電極システムをそれぞれ挿入し、細管部と電極システムの間の隙間を封止材によって封止することにより、シール部を形成する。こうして細管部に形成されたシール部によって、放電容器の内部は密閉され、アルゴン等の不活性ガスと発光物質が封止される。

封止材の原材料として、酸化ジスプロシウム（ディスプロシア）Ｄｙ₂Ｏ₃、酸化アルミニウム（アルミナ）Ａｌ₂Ｏ₃、及び、酸化ケイ素（シリカ）ＳｉＯ₂を含むフリットが用いられる。尚、酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃の代わりに、又は、酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃に加えて、酸化イットリウム、酸化モリブデン等も用いられる。

シール部に形成される封止材は、溶融したフリットが非結晶化（非晶質化又はガラス化）したタイプと、溶融したフリットが結晶化したタイプとに分けられる。一般に、非結晶化タイプの封止材は、全体が均質な非晶質によって構成されるため、ランプが点滅する際に熱膨張及び熱収縮してもそれに追従して変化し、封止材の内部にクラックが発生する可能性が少ないという特徴がある。一方、結晶化タイプの封止材は、放電容器の細管部のシール部の機械的強度を高くすることができ、且つ、金属ハロゲン化物等の発光物質に対する耐浸食性が良好であると言われている。

特開昭56-44025号公報 特開平07-21990号公報 特開2008-108690号公報 特開2009-259602号公報 特開2004-355888号公報

近年、ランプの長寿命化の要請が益々高くなっている。そのため、シール部の機械的強度を高めると同時に、金属ハロゲン化物等の発光物質に対する耐浸食性を更に高める必要性が高まっている。

本発明の目的は、放電容器の細管部のシール部の機械的強度を高めると同時にシール部の耐侵食性を更に高めることができるセラミックメタルハライドランプの製造方法及びセラミックメタルハライドランプを提供することにある。

本願の発明者は、シール部の機械的強度を確保し、且つ、耐侵食性の更なる向上を図るための技術を鋭意考察した。本願の発明者は、様々な種類のフリットを試作し、それを用いて放電容器の細管部にシール部を形成する実験を行った。シール部に形成された封止材を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。本願の発明者は以下の知見を得た。

結晶化タイプの封止材では、非晶質（ガラス質）の中に多数の粒状の結晶が析出していることが観察される。粒状の結晶はコンクリートの骨材に相当する役割を有し、シール部の機械的強度を高める機能を提供する。一方、非晶質は、結晶質と比較して、金属ハロゲン化物等の発光物質によって浸食され易い。そこで、本願の発明者は、放電容器の細管部のシール部において、封止材を非粒状の結晶化、即ち、樹枝状結晶化させることとした。

封止材を樹枝状結晶化させた場合も、樹枝状結晶の間の空間は非晶質（ガラス質）によって占められる。樹枝状結晶は、粒状の結晶と同様に、シール部の機械的強度を高める機能を提供する。非晶質（ガラス質）は、上述のように発光物質によって浸食され易いが、樹枝状結晶では狭い迷路のように複雑な形状を有するため、侵食の進行が妨げられることが観測された。即ち、樹枝状結晶は、発光物質に対する耐浸食性を高める機能を提供する。

更に、本願の発明者が行った実験では、電流供給導体を構成する導電性サーメットと封止材の界面に反応生成物が形成され、それによって、シール部の機械的強度及び密閉性を高めることができた。

本発明の実施形態によると、発光部と細管部を有する放電容器を備えたセラミックメタルハライドランプの製造方法において、
酸化ケイ素の含有量をＸ(SiO₂)ｍｏｌ％、酸化ジスプロシウムの含有量をＸ(Dy₂O₃)ｍｏｌ％、酸化アルミニウムの含有量をＸ(Al₂O₃)ｍｏｌ％とするとき、前記酸化ケイ素の含有量をＸ(SiO₂)＝３７〜５１ｍｏｌ％とし、Ｘ(SiO₂)＋Ｘ(Dy₂O₃)＋Ｘ(Al₂O₃)＝１００ｍｏｌ％（ただしＸ(Dy₂O₃)≧５ｍｏｌ％かつＸ(Al₂O₃)≧１０ｍｏｌ％）となるように、酸化ケイ素、酸化ジスプロシウム、及び、酸化アルミニウムを混合してスラリーを生成する工程と、
該スラリーをスプレードライヤによって造粒し、粒径分布の最頻値が１０６〜１８０μｍの間にあり、且つ、粒子径６３μｍ以下の粒子の含有比率が１６重量％以下となるように、酸化ケイ素、酸化ジスプロシウム、及び、酸化アルミニウムを含むフリットを形成する工程と、
前記フリットを成形し、焼成することによってフリット成形体を形成する工程と、
電極システムを放電容器の細管部に挿入し、前記細管部の端面に前記フリット成形体を装着する工程と、
前記フリット成形体を加熱することによって前記フリットを溶融させて前記細管部と前記電極システムの間の隙間に侵入させる加熱工程と、
前記溶融したフリットを冷却することによって固化させて前記細管部と前記電極システムの間に樹枝状結晶を含む封止材によるシール部を形成する冷却工程と、
を有する。

本実施形態によると前記セラミックメタルハライドランプの製造方法において、前記酸化ジスプロシウムの含有量はＸ(Dy₂O₃)＝２８〜３７ｍｏｌ％であってよい。

本実施形態によると前記セラミックメタルハライドランプの製造方法において、前記酸化アルミニウムの含有量はＸ(Al₂O₃)＝３８〜４７ｍｏｌ％であってよい。

本実施形態によると前記セラミックメタルハライドランプの製造方法において、前記冷却工程では、前記加熱工程の設定温度から１１００℃まで８．３℃／ｓｅｃ以下の冷却速度にて温度下降させてよい。

本発明の実施形態によると、透光性外管と、該外管の内部に配置され発光部と該発光部の両側の細管部を有する放電容器と、該放電容器の細管部の各々に装着された電極システムと、を有し、前記電極システムは、タングステン電極、電流供給導体、及び、リード線を有するように構成されたメタルハライドランプにおいて、
前記細管部には前記放電容器を密封するためにシール部が形成されており、該シール部は、前記細管部と前記電流供給導体の間の隙間に装填された封止材を有し、該封止材は樹枝状結晶を含む。

本発明の実施形態によると、前記メタルハライドランプは、前記セラミックメタルハライドランプの製造方法によって製造されてよい。

本実施形態によると前記セラミックメタルハライドランプにおいて、
前記電流供給導体は耐ハロゲン性中間材と導電性サーメット棒を含み、前記シール部の長さは、前記細管部内に挿入された前記導電性サーメット棒の長さより長くてよい。

本実施形態によると前記セラミックメタルハライドランプにおいて、
前記電流供給導体は導電性サーメット棒を含み、前記シール部において、前記導電性サーメット棒と前記封止材の界面に反応生成物層が形成されてよい。

本発明によれば、放電容器の細管部のシール部の機械的強度を高めると同時にシール部の耐侵食性を更に高めることができるセラミックメタルハライドランプの製造方法及びセラミックメタルハライドランプを提供することができる。

図１Ａは、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの構成例を説明する図である。 図１Ｂは、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の構成例を説明する図である。 図２Ａは、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の細管部に電極システムを挿入する方法を説明する説明図である。 図２Ｂは、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の細管部に電極システムが挿入された状態を説明する説明図である。 図３は、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の細管部のシール部の構成例を説明する図である。 図４は、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の細管部のシール部に用いるフリット成形体の構造の例を示す図である。 図５は、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の細管部のシール部に用いるフリット成形体の製造工程の例を説明する説明図である。 図６は、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の細管部のシール部を形成するときの温度曲線の例を説明する図である。 図７Ａは、本願発明者が行ったセラミックメタルハライドランプの放電容器の製造方法の実験において、シール部に形成された封止材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の例を示す図である。 図７Ｂは、本願発明者が行ったセラミックメタルハライドランプの放電容器の製造方法の実験において、シール部に形成された封止材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の例を示す図である。 図８Ａは、本願発明者が行ったセラミックメタルハライドランプの放電容器の製造方法の実験において、シール部における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の撮像位置を説明する図である。 図８Ｂは、本願発明者が行ったセラミックメタルハライドランプの放電容器の製造方法の実験において、シール部の各位置における封止材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の例を示す図である。 図９Ａは、本願発明者が行ったセラミックメタルハライドランプの放電容器の製造方法の実験において、スプレードライヤーによって形成されたフリットの粒径分布を説明する説明図である。 図９Ｂは、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器の製造方法の実験において、スプレードライヤーによって形成されたフリットの粒径分布を説明する説明図である。

以下、本発明に係るセラミックメタルハライドランプの実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同一の要素に対しては同一の参照符号を付して、重複した説明を省略する。

図１Ａを参照して本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの一例を説明する。セラミックメタルハライドランプ１００は、透光性外管１１１と、端部の口金１１２と、透光性外管１１１の内部のほぼ中央に配置された放電容器１３０を有する。透光性外管１１１の内部は圧力１０Ｐａ以下の高真空に保持される。セラミックメタルハライドランプ１００は、図示のように口金１１２を上にして垂直に装着される。

放電容器１３０の周囲に透光性スリーブ１０８が設けられ、その外側に、金属製のフレーム１０９が設けられている。放電容器１３０の上側には、始動器１１０が設けられている。フレーム１０９の上端には、ゲッタ１１３が装着されている。

フレーム１０９は、下端のマウント支持板１１４と上端のステム１１５の導入線と接続しており、それによって、位置固定される。フレーム１０９は位置固定用の部材であると同時に電気的接続用の部材を兼ねており、図示しない外部給電システムからの電力をステム１１５の導入線を介して放電容器１３０に供給する。

図１Ｂを参照して放電容器１３０の構造を説明する。放電容器１３０は中央の発光部１３０Ｃとその両側の細管部１３０Ａ、１３０Ｂを有する。本例の放電容器１３０は、略回転楕円体形状の発光部１３０Ｃとその両側の細管部１３０Ａ、１３０Ｂが一体的に形成された、所謂一体型である。

細管部１３０Ａ、１３０Ｂには、電極システム１２０ａ、１２０ｂがそれぞれ装着されている。電極システム１２０ａ、１２０ｂは、タングステン電極１２３、電流供給導体１２２、及び、リード線１２１を有する。タングステン電極１２３の先端は放電容器１３０の発光部１３０Ｃに配置されている。電流供給導体１２２は、耐ハロゲン性中間材１２２ａと導電性サーメット棒１２２ｂを含む。

リード線１２１は導電性サーメット棒１２２ｂの先端に接続されている。リード線１２１と導電性サーメット棒１２２ｂの接続部は補強材１３１によって囲まれている。リード線１２１は細管部１３０Ａ、１３０Ｂの先端より突出している。

放電容器１３０の内部には、発光物質と、水銀および不活性ガスが封入されている。不活性ガスは例えば希ガスであるが本実施例ではアルゴンである。セラミックメタルハライドランプを点灯させると、放電容器１３０内における放電により、発光物質が加熱され、その一部が蒸発して放電により励起され、発光する。発光物質の残りの部分は、放電容器１３０の底部の最冷部に液相状態でプールされる。液相の発光物質の一部は蒸発し、放電容器１３０の内部を対流により循環し、底部の最冷部に戻る。ランプの点灯中はこのようなサイクルが繰り返される。

図２Ａ及び図２Ｂを参照して、放電容器１３０の細管部１３０Ａに電極システム１２０ａを挿入する方法を説明する。図２Ａに示すように、補強材１３１、フリット成形体１３２及び電極システム１２０ａを用意する。補強材１３１はアルミナ製のリング部材によって構成される。フリット成形体１３２の原材料及び製造方法は後に説明する。電極システム１２０ａは、タングステン電極１２３、耐ハロゲン性中間材１２２ａ、導電性サーメット棒１２２ｂ、及び、リード線１２１を有する。タングステン電極１２３、耐ハロゲン性中間材１２２ａ及び導電性サーメット棒１２２ｂは突き合わせ溶接によって接続される。タングステン電極１２３の先端にはタングステンコイルが装着されている。

耐ハロゲン性中間材１２２ａは、放電容器１３０内に封入された金属ハロゲン化物によって浸食されない耐ハロゲン性材料によって形成される。耐ハロゲン性材料として、例えば、モリブデンが用いられてよい。耐ハロゲン性中間材１２２ａの構造として、様々な形状が知られている。例えば、耐ハロゲン性中間材１２２ａを、モリブデン棒、モリブデン棒とその周り巻かれたモリブデンコイル、モリブデン棒とそれを囲むモリブデンパイプによって形成してよい。更に、耐ハロゲン性中間材２２ａを省略して、タングステン電極１２３の一部を、モリブデンコイル、又は、モリブデンパイプによって覆ってもよい。

導電性サーメット棒１２２ｂはアルミナとモリブデンを混合焼結することによって形成される。

電極システム１２０ａを細管部１３０Ａに挿入し、細管部１３０Ａから突出した電極システム１２０ａに、フリット成形体１３２及び補強部材１３１を装着する。

図２Ｂに示すように、タングステン電極１２３の先端は、放電容器１３０の発光部１３０Ｃに配置される。導電性サーメット棒１２２ｂの一部と耐ハロゲン性中間材１２２ａは放電容器１３０の細管部１３０Ａに配置され、導電性サーメット棒１２２ｂの一部とリード線１２１は細管部１３０Ａより突出する。放電容器１３０の両端の細管部１３０Ａ、１３０Ｂに電極システム１２０ａが装着されると、それをシール装置（図示なし）に装着する。シール装置は、典型的には、密閉空間を形成するチャンバとその内部に設けられたヒータを有し、ヒータは放電容器１３０の細管部１３０Ａのシール部を局部的に加熱するように構成されている。シール装置の詳細な説明は省略する。

図３はシール装置（図示なし）に保持された放電容器１３０の上側の細管部１３０Ａを示す。放電容器１３０は、その中心軸線が垂直になるように、シール装置によって保持される。上側の細管部１３０Ａには、耐ハロゲン性中間材１２２ａと導電性サーメット棒１２２ｂが挿入されている。導電性サーメット棒１２２ｂの一部は細管部１３０Ａ内に配置され、残りの部分は細管部１３０Ａより突出している。突出した導電性サーメット棒１２２ｂとリード線１２１の接続部は、補強部材１３１によって囲まれている。細管部１３０Ａと補強部材３１の間にフリット成形体１３２が配置されている。尚、導電性サーメット棒１２２ｂに、電極システムを細管部１３０Ａの位置決めするためのストッパーを設けてもよい。ストッパーは、例えば、導電性サーメット棒１２２ｂの表面の所定の位置にニオブ金属ロッドを溶接することにより形成してよい。

導電性サーメット棒１２２ｂの外径は、耐ハロゲン性中間材１２２ａの外径より僅かに小さい。従って、細管部１３０Ａと導電性サーメット棒１２２ｂの間の隙間は、細管部１３０Ａと耐ハロゲン性中間材１２２ａの間の隙間より僅かに大きい。

導電性サーメット棒１２２ｂの周囲に配置されたヒータを作動させると、フリット成形体１３２が溶融する。溶融したフリットは、重力と毛管現象によって、細管部１３０Ａと導電性サーメット棒１２２ｂの間の隙間に侵入する。溶融したフリットは、細管部１３０Ａと耐ハロゲン性中間材１２２ａの間の隙間に僅かの距離だけ侵入した位置まで入り込む。こうして、細管部１３０Ａと導電性サーメット棒１２２ｂ及び耐ハロゲン性中間材１２２ａの間の隙間に侵入した溶融フリットによってシール部が形成される。

放電容器１３０の細管部１３０Ａはシール部（封止部）と非シール部（非封止部）からなる。細管部１３０Ａの全長をＬ、シール部の長さ、即ち、シール長をＬ１、非シール部の長さをＬ２とする。Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２である。導電性サーメット棒１２２ｂのうち、細管部１３０Ａ内に挿入された部分の寸法をＬｓとする。

シール部の長さＬ１が短いと、シール不足又はシール不良となる。本実施形態では、シール部の長さＬ１は、この導電性サーメット棒１２２ｂの挿入長さＬｓに等しいか又はそれより大きい。即ち、Ｌ１≧Ｌｓである。シール部のうち、耐ハロゲン性中間材１２２ａの部分に形成された部分の長さをＬｍとする。Ｌ１＝Ｌｓ＋Ｌｍである。

例えば、細管部１３０Ａの外径を３ｍｍ、導電性サーメット棒１２２ｂの挿入長さをＬｓ＝５ｍｍとする。この場合には、シール長Ｌ１は５ｍｍに等しいか又はそれより大きくする。即ち、Ｌ１＝５．０〜６．５ｍｍである。耐ハロゲン性中間材１２２ａの部分に形成されたシール部の寸法は、Ｌｍ＝０〜１．５ｍｍである。

耐ハロゲン性中間材１２２ａの部分に形成されたシール部の寸法Ｌｍが長すぎると、耐ハロゲン性中間材１２２ａと細管部１３０Ａの熱膨張率の差により、細管部１３０Ａにクラックが発生する可能性がある。そこで、この寸法Ｌｍは精々１．５ｍｍ程度である。

図４は、本実施形態によるフリット成形体の形状の例を示す。本実施形態ではフリット成形体はリング状に形成される。内径をＤ１、外径をＤ２、厚さをｔ、重量をＧとする。例えば、Ｄ１＝１．５ｍｍ、Ｄ２＝３．５ｍｍ、又は、４．３ｍｍ、ｔ＝０．９ｍｍ、１．４ｍｍ、又は、２．１ｍｍ、Ｇ＝２３〜８５ｍｇであってよい。

図５を参照して本実施形態によるフリット成形体の製造方法の例を説明する。ステップ１０１にて、原材料として、酸化ジスプロシウム（ディスプロシア）Ｄｙ₂Ｏ₃、酸化アルミニウム（アルミナ）Ａｌ₂Ｏ₃、及び、酸化ケイ素（シリカ）ＳｉＯ₂の粉末を秤量する。Ｄｙ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系封止材は、発光物質に対する耐侵食性に優れている。更に、酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃、及び、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の比率を所望の値に設定することにより、フリットの溶融温度を所望の値に設定することができる。通常、封止温度は１５００〜１７００℃であるが、フリットは、１６００℃程度の封止温度で十分な流動性を有することが望ましい。

ステップ１０２にて、スラリーを生成する。ディスプロシア、アルミナ、及び、シリカの粉末に、バインダー、分散剤、及び、純水を加え、混合してスラリーを生成する。混合にはアトライター（混合機）を用いてよい。ステップ１０３にて、造粒する。造粒にはスプレードライヤを用いてよい。スプレードライヤは、典型的には、アトマイザと乾燥室と回収器を有する。アトマイザによって形成され噴霧を乾燥室にて乾燥させることにより、フリットが生成される。フリットをサイクロン又はバグフィルターによって回収する。アトマイザはモータによって回転するディスクを有する。ディスクの回転数を変化させることによって、フリットの粒子径を調整することができる。

ステップ１０４にて、整粒する。例えば、目開き３５５μｍの篩を通過したものを合格とする。ステップ１０５にて、フリットを加圧成形し、リング状の成形体を得る。ステップ１０６にて、成形体を、空気中で加熱して脱バインダーする。例えば、１１００℃で約２時間保持する。ステップ１０７にて、成形体を、アルゴン気流中で焼成する。例えば、１２００℃で約２時間保持する。ステップ１０８にて、成形体を、水素気流中で焼成する。例えば、１２００℃で約２時間保持する。こうして、リング状のフリット成形体１３２が得られる。

図２Ａに示したように、フリット成形体１３２を用いて、放電容器の細管部のシール部が形成される。放電容器１３０の細管部１３０Ａに電極システム１２０ａを挿入し、その先端にフリット成形体１３２及び補強部材１３１を装着する。これをシール装置に装填し、細管部１３０Ａをヒータによって加熱し、フリットを溶融させる。溶融したフリットが放電容器の細管部の内壁と電極システムの導電性サーメット棒との間に侵入し、固化することによって封止材が形成される。シールの状態を判定するには、シール装置より放電容器を取り出し、細管部１３０Ａを研磨し、シール部の封止材を露出させ、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって撮像すればよい。

図６は、本実施形態によるシール装置の温度曲線の例を示す。横軸は時間（秒）、縦軸は温度（℃）である。シール装置には、放電容器の細管部のシール部を局部的に加熱するヒータと、シール部の温度を測定する温度センサと、この温度センサの出力をヒータにフィードバックするヒータ出力制御装置が設けられている。ヒータ出力制御装置は、予めプログラムされた温度曲線に沿ってヒータの出力をフィードバック制御する。

温度センサは、シール装置の炉内にて、放電容器の細管部のシール部の近傍にて細管部に非接触で設置されている。温度センサの出力値は、シール部の実際の温度とは異なる。そこで、温度センサ校正実験を行なって、温度センサの出力値と、他の手段により測定したシール部の実際の温度を比較し、両者の間の補正係数を求める。温度センサの出力値に補正係数を乗算することによって、シール部の温度が得られる。ヒータ出力制御装置は、予め設定された温度曲線と補正係数によって補正されたシール部の温度を用いて、ヒータの出力を制御する。

封止温度は通常１５００〜１７００℃であるが、シール部におけるシール不良又はシール不足を回避するために、フリットが十分な流動性を有する１６００℃とした。開始から時点ｔ４までが加熱期間（加熱工程）であり、時点ｔ４以後が冷却期間（冷却工程）である。

加熱開始から４０秒後の時点ｔ１では、温度が１２００℃となり、時点ｔ１から３０秒後の時点ｔ２まで、温度１２００℃を保持する。加熱開始から７０秒後の時点ｔ２にて加熱温度を上昇させ、時点ｔ２から１５秒後の時点ｔ３にて温度が１６００℃となる。フリットは溶融し、細管部１３０Ａと導電性サーメット棒１２２ｂの間の隙間に侵入する。時点ｔ３から２０秒後の時点ｔ４まで、封止温度１６００℃を保持する。加熱開始から１０５秒後の時点ｔ４では、溶融したフリットによって、細管部１３０Ａと導電性サーメット棒１２２ｂの間の隙間は完全に塞がれる。

時点ｔ４から時点ｔ５までは温度下降工程である。１６００℃から１１００℃まで温度下降させることにより、溶融したフリットが固化し、封止材が形成される。本実施形態では、少なくとも６０秒の時間で１６００℃から１１００℃まで温度下降させた。即ち、冷却工程では、加熱工程の設定温度から１１００℃まで８．３℃／ｓｅｃ以下の冷却速度にて温度下降させた。それによって、後に説明するように樹枝状結晶の封止材が形成された。

温度下降工程において、６０秒未満で温度を１６００℃から１１００℃まで下降させると、結晶が析出する前に溶融フリットが固化してガラス状になることがある。また温度下降工程が長すぎると、例えば、１２０秒以上の時間をかけると、溶融フリットが電極システムの導電性サーメット１２２ｂから耐ハロゲン性中間体１２２ａの内部の位置まで侵入する。この場合には、ランプ点滅時の熱膨張及び収縮に起因して細管部にクラックが生じ易くなる。

以下に本願の発明者が実験と検討と考察を繰り返すことにより、本発明に至った経緯を説明する。本願の発明者は、先ず、金属ハロゲン化物等の発光物質に対する耐浸食性を向上させることができるフリットの原材料を鋭意検討した。そこで、フリットの原材料として、酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃、及び、酸化ケイ素ＳｉＯ₂を選択した。これらの原材料によって形成された封止材は金属ハロゲン化物等の発光物質に対する耐浸食性が高いことが知られている。

次に、酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃、及び、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の各含有量を選定した。封止温度は通常１５００〜１７００℃であるが、図６に示したように、本実施形態では、シール部におけるシール不良又はシール不足を回避するために、１６００℃とした。そこで、本願の発明者は、少なくとも１４００℃で溶融するフリットを開発した。酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃、及び、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の融点を表２に示す。

表２に示すように、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の融点は、酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃、及び、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃の融点より低い。従って、フリットの融点を下げるには酸化ケイ素ＳｉＯ₂の含有量を比較的多くすればよい。本願の発明者は、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の含有量が比較的大きくなるように、３つの原材料の含有量を変化させて、複数の種類のフリットを作成した。これらのフリットを用いて、図５のステップＳ１０２〜Ｓ１０８の各工程によって、複数の種類のフリット成形体を作成した。これらのフリット成形体を用いて、放電容器の細管部にシール部を形成した。シール部の封止材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を観察した。その結果、結晶化タイプの封止材、及び、非結晶化（ガラス化）タイプの封止材の他に、樹枝状結晶化した封止材が観測された。

一般に、樹枝状結晶は、金属や合金などの溶融液が凝固する場合に生ずる結晶の形状の一つで、デンドライトとも称される。デンドライトは、過冷却状態あるいは過飽和状態の液体から固体が析出した場合に生じやすい。

本願の発明者は、封止材が樹枝状結晶化したシール部を鋭意検討した。その結果、封止材を樹枝状結晶化することによって、シール部の機械的強度を確保することができると同時に、発光物質に対する耐侵食性が高くなることが判った。

図７Ａは結晶化タイプの封止材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の例を示す。この画像には、上側のアルミナ製の細管部と、下側の導電性サーメット棒１２２ｂと、両者の間に形成された結晶化タイプの封止材が示されている。結晶化タイプの封止材では、非晶質（ガラス質）の中に多数の粒状の結晶が析出していることが観察される。

本願の発明者は、封止材が粒状に結晶化した場合について、過負荷状態でのライフテストを行ない、封止材に対する発光物質の侵食状態を観察した。その結果、金属ハロゲン化物は、主として封止材の非晶質の部分を侵食し、粒状結晶の間を縫って侵食が進行することが観察された。粒状の結晶はコンクリートの骨材に相当する役割を有し、シール部の機械的強度を高める機能を提供する。一方、非晶質は、結晶質と比較して、金属ハロゲン化物等の発光物質によって浸食され易いことが判った。

図７Ｂは樹枝状結晶化した封止材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の例を示す。この画像には、上側右半分のアルミナ製の細管部と、その下側に形成された樹枝状結晶化した封止材と、その下側に形成された反応生成物層と、更に下側の導電性サーメット棒１２２ｂが示されている。

樹枝状結晶化させた場合も、樹枝状結晶の間の空間は非晶質（ガラス質）によって占められることが観察される。樹枝状結晶は、粒状の結晶と同様に、シール部の機械的強度を高める機能を提供する。非晶質（ガラス質）は、上述のように、発光物質によって浸食され易いが、樹枝状結晶では狭い迷路のように複雑な形状を有するため、侵食の進行が妨げられることが観測された。即ち、樹枝状結晶は、発光物質に対する耐浸食性を高める機能を提供する。従って、封止材を非粒状の結晶化、即ち、樹枝状結晶化させることによって、シール部の機械的強度を高めると同時に、発光物質に対する耐浸食性を高めることができる。

図示のように、封止材が樹枝状結晶化すると、封止材と導電性サーメット棒１２２ｂの界面にて、反応生成物層が形成される。反応生成物層によって、封止材と導電性サーメット棒１２２ｂの界面における密着性が高くなる。従って、封止材を樹枝状結晶化する場合には、導電性サーメット棒１２２ｂとの間の界面に反応生成物層が形成させることが好ましい。

本願の発明者は、封止材を樹枝状結晶化させるための条件を鋭意検討した。先ず、本願の発明者が行った実験の結果の中から、代表的な例を抽出して説明する。表３は、本願の発明者が行った実験によるフリットの融点とシール部のシール状態を示す。

表３にて、実施例１、２及び比較例１、２のフリットの融点は本願発明者が測定したものである。実施例１、２及び比較例１のフリットの融点は１４００℃より低いが、比較例２のフリットの融点は１５００℃より高い。表３の結果から判るように、実施例１、２の場合、封止材に樹枝状結晶が生成された。比較例１の場合、封止材は結晶化しなかった。比較例２の場合、封止材によるシールができなかった。これは、フリット自体の融点が１５００℃以上と高いため、封止温度１６００℃ではフリットが放電容器の細管部内壁と電極システムの導電性サーメット棒との間に十分侵入しなかったためと考えられる。実施例１、２及び比較例１、２のフリットの原材料の組成を表４に示す。

以上の実験結果を含む多数の実験結果から次のことが判った。フリットの融点を１４００℃より低くし、且つ、封止材に樹枝状結晶を生成するには、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の含有量Ｘ(SiO₂)を、少なくとも３０ｍｏｌ％より大きく、且つ、６０ｍｏｌ％より小さくする必要がある。そこで、本願の発明者は、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の含有量Ｘ(SiO₂)を３７〜５１ｍｏｌ％とした。従って、残余の酸化ジスプロシウムの含有量Ｘ(Dy₂O₃)と酸化アルミニウムの含有量Ｘ(Al₂O₃)ｍｏｌ％の合計は、４９〜６３ｍｏｌ％となる。
さらに好ましくは、酸化ジスプロシウムの含有量Ｘ(Dy₂O₃)を２８〜３７ｍｏｌ％とし、残余を酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃とするか、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃の含有量Ｘ(Al₂O₃)を３８〜４７ｍｏｌ％とし、残余を酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃とするのがよい。

また特許文献１などの先行技術を参照した考察により、酸化ジスプロシウムの含有量Ｘ(Dy₂O₃)は５ｍｏｌ％以上、酸化アルミニウムの含有量Ｘ(Al₂O₃)は１０ｍｏｌ％以上であれば良いことがわかった。酸化ジスプロシウムの含有量Ｘ(Dy₂O₃)が５ｍｏｌ％未満ではフリットの融点が１４００℃以下にならず、酸化アルミニウムの含有量Ｘ(Al₂O₃)が１０ｍｏｌ％未満では、フリットを溶融しても結晶化できない。

次に、本願の発明者は、封止材に樹枝状結晶を生成するために好ましいフリットの粒子径を鋭意考察した。本願の発明者は、実施例１の原材料を用いて異なる粒子径のフリットを形成した。ステップＳ１０３にて、アトマイザの回転数を変化させて、多数の粒子径のフリットを生成した。アトマイザの回転数を大きくすると、粒子径が比較的小さいフリットが生成され、アトマイザの回転数を小さくすると、粒子径が比較的大きいフリットが生成される。２つの代表的な粒径分布のデータの例を図９Ａ及び図９Ｂに示す。

本願の発明者は、アトマイザの回転数比較的大きくすることによって、粒子径が比較的小さい第１のフリットを生成し、アトマイザの回転数を比較的小さくすることによって、粒子径が比較的大きい第２のフリットを生成した。第１及び第２のフリットの粒子径については後に説明する。第１のフリットと第２のフリットについてそれぞれ２サンプル生成した。第１のフリットと第２のフリットを用いて、フリット成形体を作成した。更に、これらのフリット成形体を用いて、放電容器の細管部のシール部を形成し、シール部における封止材を観察した。

図８Ａ及び図８Ｂを参照して実験結果を説明する。図８Ａは、放電容器の細管部のシール部における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の撮像位置Ｐ１０１〜Ｐ１０４を示す。図示のように細管部１３０Ａと耐ハロゲン性中間材１２２ａ及び導電性サーメット１２２ｂの間の隙間に形成された封止材を撮像した。本実施形態では、耐ハロゲン性中間材１２２ａは、モリブデン棒１２２ｃとその周囲に巻かれたモリブデンコイル１２２ｄによって形成されている。位置Ｐ１０１では、細管部１３０Ａの先端における封止材の状態を観察することができる。位置Ｐ１０２では、細管部１３０Ａと導電性サーメット１２２ｂの間の封止材の状態を観察することができる。位置Ｐ１０３では、耐ハロゲン性中間材１２２ａの端部における封止材の状態を観察することができる。位置Ｐ１０４では、細管部１３０Ａとモリブデンコイル１２２ｄの間の封止材の状態を観察することができる。

図８Ｂは、位置Ｐ１０１〜Ｐ１０４における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の例を示す。第１のフリットの粒子径の最頻値は６４〜１０５μｍの範囲にあり、第２のフリットの粒子径の最頻値は１０６〜１８０μｍの範囲にあった。上述のように、第１のフリットと第２のフリットを用いてフリット成形体を形成した。第１のフリットを用いて形成した成形体（図５のステップＳ１０５）の厚さは、２．１７ｍｍであった。第２のフリットを用いて形成した成形体（図５のステップＳ１０５）の厚さは、２．０９ｍｍであった。図示のように、第１のフリットによって形成したフリット成形体を用いた場合には、封止材は樹枝状結晶化しなかった。第２のフリットによって形成したフリット成形体を用いた場合には、封止材は樹枝状結晶化した。

以上より、シール部の封止材に樹枝状結晶を形成するには、粒子径の最頻値が約１０６〜１８０μｍのフリットを用いて形成したフリット成形体を用いるとよい。

図９Ａ及び図９Ｂは、粒子径が比較的小さい第１のフリットと、粒子径が比較的大きい第２のフリットの粒径分布を示す。図９Ａは、レーザ回折式粒子径分布測定装置を使用して測定した結果を示す。図９Ａの横軸は粒子径（μｍ）、縦軸は重量百分率（wt%）である。図９Ｂは、５種類の目開きの篩を使用して分級した結果を示す。図９Ｂの横軸は、５種類の目開きに対応して６つの領域に分けた粒子径の範囲を示す。縦軸は重量百分率（wt%）である。第１及び第２のフリットの各々について２サンプルを取り出して、粒径分布を測定した。

図９Ａのグラフでは、第１のフリットの粒子径の最頻値は約８６μｍであり、第２のフリットの粒子径の最頻値は約１１０μｍである。図９Ｂのグラフでは、第１のフリットの粒子径の最頻値は約６４〜１０５μｍの間にあり、第２のフリットの粒子径の最頻値は約１０６〜１８０μｍの間にある。図９Ａのグラフでは、２つの曲線の形状が略同一であるが、最頻値が異なる。図９Ｂのグラフでは、２つの曲線の形状が略同一であるとは言えないが、粒子径６３μｍ以下の粒子の含有比率が異なることが明瞭である。尚、粒子径６３μｍは３番目の篩の目開きに対応する。粒子径６３μ以下の粒子の重量比率は、第１のフリットでは２２％以上であるが、第２のフリットでは１６％以下である。第１のフリットでは単一の粒子の重量が小さいため、重量比率を粒子数の比率に変換すると、両者の差は更に大きくなる。このような相違は封止材が樹枝状結晶化するか否かの要因の１つであると考えられる。

、第１のフリットと第２のフリットの粒径分布の差は、高価なレーザ回折式粒子径分布測定装置を用いなくても、適切な見開きの篩を選択することによって、容易に判別することができる。

本願の発明者は、以上の実験及び検討から、放電容器の細管部のシール部の機械的強度を確保し、且つ、発光物質に対する耐侵食性を向上させる条件を考察した。

（１）封止材の原材料として、金属ハロゲン化物等の発光物質に対する耐浸食性に優れている物質を選択する。Ｄｙ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系封止材は、発光物質に対する耐侵食性に優れている。従って、本発明では、封止材の原材料として、酸化ジスプロシウムＤｙ₂Ｏ₃、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃及び酸化ケイ素ＳｉＯ₂を選択する。封止材の原材料として、３つの成分のみでよく、従来技術のように、酸化イットリウム、酸化モリブデン等を添加する必要が無い。

ここで、酸化ケイ素の含有量をＸ(SiO₂)ｍｏｌ％、酸化ジスプロシウムの含有量をＸ(Dy₂O₃)ｍｏｌ％、酸化アルミニウムの含有量をＸ(Al₂O₃)ｍｏｌ％とする。但し、Ｘ(SiO₂)＋Ｘ(Dy₂O₃)＋Ｘ(Al₂O₃)＝１００ｍｏｌ％である。

（２）封止材を樹枝状化する。封止材を樹枝状化するための条件を考察した。
（ａ）通常、封止温度は１５００から１７００℃であるが、シール部におけるシール不良又はシール不足を回避するために、封止温度を１６００℃に設定する。少なくとも、１６００℃で十分な流動性を確保するには、フリット単体の融点を１４００℃程度にする必要がある。そこで、酸化ケイ素ＳｉＯ₂の含有量Ｘ(SiO₂)を３７〜５１ｍｏｌ％とした。

（ｂ）従って、残余の酸化ジスプロシウムの含有量Ｘ(Dy₂O₃)と酸化アルミニウムの含有量Ｘ(Al₂O₃)ｍｏｌ％の合計は、４９〜６３ｍｏｌ％となる。そこで、酸化ジスプロシウムの含有量Ｘ(Dy₂O₃)を２８〜３７ｍｏｌ％としてよい。また、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃の含有量Ｘ(Al₂O₃)を３８〜４７ｍｏｌ％としてよい。更に、先行技術による知見から、フリットの融点を１４００℃程度にするには、酸化ジスプロシウムの含有量Ｘ(Dy₂O₃)を５ｍｏｌ％以上とし、溶融したフリットを結晶化するには、酸化アルミニウムの含有量Ｘ(Al₂O₃)を１０ｍｏｌ％以上とする必要がある。

（ｃ）フリットは、粒径分布の最頻値が１０６〜１８０μｍの間にあり、且つ粒子径６３μｍ以下の粒子の含有比率が１６重量％以下となるように形成する。このようなフリットの粒径分布によって封止材を樹枝状化することができる。

（ｄ）更に、所定の温度曲線によってシール部を加熱及び冷却する。即ち、加熱工程では、封止温度をフリットが十分な流動性を有する温度に設定し、冷却工程では、加熱工程の設定温度から１１００℃まで８．３℃／ｓｅｃ以下の冷却速度にて温度下降させる。それによって封止材を樹枝状結晶化し、封止材と導電性サーメット棒との間の界面に反応生成物層が生成される。それによって、シール部の機械的強度及び密閉性を高めることができる。

以上、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの放電容器のシール部の形成方法について説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載によって定められる。

１００…セラミックメタルハライドランプ、１０８…透光性スリーブ、１０９…フレーム、１１０…始動器、１１１…透光性外管、１１２…口金、１１３…ゲッタ、１１４…マウント支持板、１１５…ステム、１２０ａ、１２０ｂ…電極システム、１２１…リード線、１２２…電流供給導体、１２２ａ…耐ハロゲン性中間材、１２２ｂ…導電性サーメット、１２３…タングステン電極、１３０…放電容器、１３０Ａ、１３０Ｂ…細管部、１３０Ｃ…発光部、１３１…補強材、１３２…フリット成形体

Claims (6)

1. 発光部と細管部を有する放電容器を備えたセラミックメタルハライドランプの製造方法において、
   酸化ケイ素の含有量をＸ(SiO₂)ｍｏｌ％、酸化ジスプロシウムの含有量をＸ(Dy₂O₃)ｍｏｌ％、酸化アルミニウムの含有量をＸ(Al₂O₃)ｍｏｌ％とするとき、前記酸化ケイ素の含有量をＸ(SiO₂)＝３７〜５１ｍｏｌ％とし、Ｘ(SiO₂)＋Ｘ(Dy₂O₃)＋Ｘ(Al₂O₃)＝１００ｍｏｌ％（ただしＸ(Dy₂O₃)≧５ｍｏｌ％かつＸ(Al₂O₃)≧１０ｍｏｌ％）となるように、酸化ケイ素、酸化ジスプロシウム、及び、酸化アルミニウムを混合してスラリーを生成する工程と、
   該スラリーをスプレードライヤによって造粒し、粒径分布の最頻値が１０６〜１８０μｍの間にあり、且つ、粒子径６３μｍ以下の粒子の含有比率が１６重量％以下となるように、酸化ケイ素、酸化ジスプロシウム、及び、酸化アルミニウムを含むフリットを形成する工程と、
   前記フリットを成形し、焼成することによってフリット成形体を形成する工程と、
   電極システムを放電容器の細管部に挿入し、前記細管部の端面に前記フリット成形体を装着する工程と、
   前記フリット成形体を加熱することによって前記フリットを溶融させて前記細管部と前記電極システムの間の隙間に侵入させる加熱工程と、
   前記溶融したフリットを冷却することによって固化させて前記細管部と前記電極システムの間に樹枝状結晶を含む封止材によるシール部を形成する冷却工程と、
   を有するセラミックメタルハライドランプの製造方法。
2. 請求項１記載のセラミックメタルハライドランプの製造方法において、
   前記酸化ジスプロシウムの含有量はＸ(Dy₂O₃)＝２８〜３７ｍｏｌ％であることを特徴とするセラミックメタルハライドランプの製造方法。
3. 請求項１記載のセラミックメタルハライドランプの製造方法において、
   前記酸化アルミニウムの含有量はＸ(Al₂O₃)＝３８〜４７ｍｏｌ％であることを特徴とするセラミックメタルハライドランプの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のセラミックメタルハライドランプの製造方法において、
   前記冷却工程では、前記加熱工程の設定温度から１１００℃まで８．３℃／ｓｅｃ以下の冷却速度にて温度下降させることを特徴とするセラミックメタルハライドランプの製造方法。
5. 透光性外管と、該外管の内部に配置され発光部と該発光部の両側の細管部を有する放電容器と、該放電容器の細管部の各々に装着された電極システムと、を有し、前記電極システムは、タングステン電極、電流供給導体、及び、リード線を有するように構成されたメタルハライドランプにおいて、
   請求項１から４のいずれか１項の方法によって形成されたことを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。
6. 請求項５記載のセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記電流供給導体は耐ハロゲン性中間材と導電性サーメット棒を含み、前記シール部の長さは、前記細管部内に挿入された前記導電性サーメット棒の長さより長いことを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。

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