JPWO2003075312A1 - 高圧放電灯用発光容器及び多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法 - Google Patents
高圧放電灯用発光容器及び多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
焼結助剤の種類及び添加量の最適化を図り高圧放電灯の発光容器に適した多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法である。９９．９％以上の純度のアルミナに、０．００２〜０．０１０重量％の範囲のＭｇＯと０．００５〜０．０２０重量％の範囲のＬａ２Ｏ３を、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計が０．０３０重量％以下で、且つ０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５となるように添加して混合し、９００〜１２００℃で仮焼し、仮焼したアルミナを鋳込み成型した。成形体をキレート処理した後、還元雰囲気中で１６５０〜１９００℃の最高温度で少なくとも１時間以上保持して常圧焼成した。
Description
【技術分野】
本発明は、高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプ等の高圧放電灯に使用する高圧放電灯用発光容器及びその発光容器に適した多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法に関する。特に、アルミナに添加する焼結助剤の種類及び添加量の最適化を図り高圧放電灯の発光容器に適した多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
多結晶透明アルミナ焼結体は、透光性、耐熱性、耐蝕性に優れているため高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプ等の高圧放電灯用発光容器として広く使用されている。
これらの多結晶透明アルミナ焼結体は、光透過率や強度を良好にするために、例えばＭｇＯ、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等の焼結助剤を添加して形成されている。このような焼結助剤は、例えば特公昭６０−４８４６６号公報、特公昭６１−６０２３号公報或いは独特許２０４２３７９号公報等で効果的な添加量が示されている。
特公昭６０−４８４６６号公報では、ＭｇＯを０．００１〜０．１重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００１〜０．０５重量％、Ｙ２Ｏ３を０．００１〜０．０５重量％とし、且つＭｇＯ／（Ｌａ２Ｏ３＋Ｙ２Ｏ３）を０．５〜２．０とし、この比率とすることで、低温焼結を可能とし、光透過率及び強度も優れたものなるとしている。
また、特公昭６１−６０２３号公報では、ＭｇＯを１５０ｐｐｍ（０．０１５重量％）以下とすることで、直線透過率を向上させる構成が開示されているし、独特許２０４２３７９号公報では、ＭｇＯを０．０１〜０．１重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．０５〜０．５重量％、Ｙ２Ｏ３を０．０５〜０．５重量％とした比率が記載されている。
しかし、上記従来の技術は、何れもＭｇＯの添加量が多いとアルミナと固溶して酸素格子欠陥を粒界に形成して黒化原因となっていた。また、ＭｇＯは吸水性が強く、容器内に入り込んだ水分中の水素は放電アークを消弧し、酸素は電極酸化を促すといった不具合があった。
逆にＭｇＯの添加量が少ないと焼結助剤としての効果がなく、結晶粒子のコントロールができず粒子の均一性がなくなり強度低下及び粒内気泡排出不完全による透光性低下等の問題があった。
【発明の開示】
本発明に係る高圧放電灯用発光容器は、ＭｇＯが０．００２〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３が０．００５〜０．０２０重量％の範囲で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計を０．０３０重量％以下とし、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５となるようにアルミナに添加して焼結形成した多結晶透明アルミナ焼結体から成ることを特徴とするものである。
本発明者等はアルミナ製の高圧放電灯用発光容器として適した焼結助剤の種類及び添加量の最適値を実験により見出したもので、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の添加はアルミナ結晶粒径や焼結温度の制御、更には放電灯の長寿命化に必要であるが、添加量の合計が０．０３０重量％を超えると容器の黒化や全光線透過率劣化の原因となる。また、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の比が上記範囲を外れると、粒子の均一性や光束維持率（発光容器の黒化）の劣化がみられる。そこで、上述する条件で焼結助剤を添加することで、粒子の均一性、全光線透過率、光束維持率及び耐久性に優れ、高圧放電灯に好適な発光容器を得ることができる。
また、本発明に係る多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法は、純度９９．９％以上のアルミナ粉体に、ＭｇＯを０．００２〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００５〜０．０２０重量％の範囲で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計が０．０３０重量％以下とし、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５となるように添加して混合する混合工程と、混合したアルミナを９００〜１２００℃で仮焼する仮焼工程と、仮焼したアルミナを成形する成形工程と、成形体を還元雰囲気中で常圧焼成する焼成工程とを有することを特徴とするものである。
この製造方法により簡易な常圧焼成によって、粒子均一性及び透光性に優れた多結晶透明アルミナ焼結体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の最良の実施形態を詳細に説明する。本発明に係る多結晶透明アルミナ焼結体は、次の工程によって作成される。
先ず、９９．９％以上の高純度アルミナ粉末に０．０００５〜０．０１５重量％のＭｇＯ、０．００２５〜０．０２５重量％のＬａ２Ｏ３をＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計が０．０３０重量％以下となるように規定量炭酸塩又は硝酸塩等で純水に溶かして添加し、ボールミルで１０時間以上混合する。
次にボールミルから取り出した混合物を乾燥し、９００〜１２００℃で２〜５時間仮焼きする。この工程で、添加剤を塩から酸化物に変化させる。
仮焼き後、バインダー、分散剤等を加えてボールミルで混合し、その後気泡を取り除いて鋳込み成型により成形し、例えば図１に示す形状の高圧放電灯用発光容器を得る。図１は高圧放電灯用発光容器の断面説明図を示し、左右の縮径された端部は電極装着部１ａ，１ｂで、電極が装着されて発光管は封止され、拡径された中央部は発光空間２であり、ナトリウムや水銀等の発光物質が充填されて使用される。
成形後、空気中で７００〜１３００℃で１時間以上仮焼し、バインダー、分散剤等を除去する。更に、鋳込み成型は石膏剤を使用するので、仮焼後、不純物金属イオンを除去するためにＥＤＴＡ等を使用してキレート処理し、不純物金属イオンを除去する。その後、純水によって洗浄する。
洗浄後、乾燥させて焼成工程に入る。焼成は、真空、アンモニア分解ガス、水素等の還元雰囲気中で行い、１６５０〜１９００℃で少なくとも１時間以上保持することが望ましい。尚、添加したＭｇＯ及びＬａ２Ｏ３は焼成工程においてアルミナの粒径制御材として作用し、Ｌａ２Ｏ３は更に焼結温度を下げる作用を奏する。
このように形成した多結晶透明アルミナ焼結体の評価を表１に示す。
【表１】
表１において、○は良、×は不良を示し、表２の基準に基づいて評価している。
【表２】
尚、光束維持率は、２５０Ｗメタルハライドランプの点灯試験における１０００時間後の光束維持率を示している。
表１から、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．６６７であるテスト番号４では光束維持率が劣化し、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．６であるテスト番号１１では全光線透過率及び光束維持率が劣化する。また、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．０２であるテスト番号２，１３，１４では少なくとも全光線透過率が劣化することがわかる。但し、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．０２でもテスト番号７では、評価は良好であるが、これは添加剤の絶対量が異なっている。
この結果を基に、更に詳しく評価した結果を表３に示す。
【表３】
尚、表３において◎は特に良好と評価したものを示している。
表１，３より、粒子均一性及び全光線透過率を評価すると、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の比ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３を０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５の範囲とするのがが好ましく、この範囲で添加するＭｇＯを０．００２０〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００５〜０．０２０重量％とすることで、粒子均一性、全光線透過率、そして光束維持率に優れた高圧放電灯用発光容器を得ることができる。特に添加するＭｇＯが０．００３０〜０．００７５重量％、Ｌａ２Ｏ３が０．０１００〜０．０１５０重量％であって、且つ０．３３≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．４７の範囲とすると高圧放電灯用発光容器として最も好ましいことがわかる。
この０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５の範囲のうち表１のテスト番号６の多結晶透明アルミナ焼結体の断面の拡大写真を示すと図２（写真１）のようになる。また、図３（写真２）は比較のために示したテスト番号１３の粒子均一性が不良の状態の断面拡大写真であり、図２、図３は何れも４００倍に拡大した写真である。図２に示すように本発明の多結晶透明アルミナ焼結体は粒子が均一であり、高強度で全光線透過率に優れていることが理解できる。
このように、添加するＭｇＯを０．００２０〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００５〜０．０２０重量％で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計を０．０３０重量％以下として、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５とすることで、全光線透過率、光束維持率に優れた良好な高圧放電灯用発光容器を作成でき、常圧焼成により粒子均一性及び透光性に優れた多結晶透明アルミナ焼結体を得ることができる。
尚、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計を０．０３０重量％以下としたのは、Ｌａ２Ｏ３の添加量が多くなると、ＭｇＯとのバランスが悪くなり第２相が発生して透過率が低下するし、ＭｇＯが多くなると黒化現象を生じるためであり、０．０３０重量％以下とするのが好ましい。
また、上記実施の形態では鋳込み成型により成形しているが、発光容器の成形はロストワックス法、粉末プレス成形法、押し出しプレス成形法、凍結成形法、射出成形法、或いはゲル化成形法を適用して成型することもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、高圧放電灯用発光容器の一例を示す断面説明図である。
図２は、本発明に係る多結晶透明アルミナ焼結体の４００倍に拡大した図面に代わる断面写真である。
図３は、従来の多結晶透明アルミナ焼結体の４００倍に拡大した図面に代わる断面写真である。
本発明は、高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプ等の高圧放電灯に使用する高圧放電灯用発光容器及びその発光容器に適した多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法に関する。特に、アルミナに添加する焼結助剤の種類及び添加量の最適化を図り高圧放電灯の発光容器に適した多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
多結晶透明アルミナ焼結体は、透光性、耐熱性、耐蝕性に優れているため高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプ等の高圧放電灯用発光容器として広く使用されている。
これらの多結晶透明アルミナ焼結体は、光透過率や強度を良好にするために、例えばＭｇＯ、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等の焼結助剤を添加して形成されている。このような焼結助剤は、例えば特公昭６０−４８４６６号公報、特公昭６１−６０２３号公報或いは独特許２０４２３７９号公報等で効果的な添加量が示されている。
特公昭６０−４８４６６号公報では、ＭｇＯを０．００１〜０．１重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００１〜０．０５重量％、Ｙ２Ｏ３を０．００１〜０．０５重量％とし、且つＭｇＯ／（Ｌａ２Ｏ３＋Ｙ２Ｏ３）を０．５〜２．０とし、この比率とすることで、低温焼結を可能とし、光透過率及び強度も優れたものなるとしている。
また、特公昭６１−６０２３号公報では、ＭｇＯを１５０ｐｐｍ（０．０１５重量％）以下とすることで、直線透過率を向上させる構成が開示されているし、独特許２０４２３７９号公報では、ＭｇＯを０．０１〜０．１重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．０５〜０．５重量％、Ｙ２Ｏ３を０．０５〜０．５重量％とした比率が記載されている。
しかし、上記従来の技術は、何れもＭｇＯの添加量が多いとアルミナと固溶して酸素格子欠陥を粒界に形成して黒化原因となっていた。また、ＭｇＯは吸水性が強く、容器内に入り込んだ水分中の水素は放電アークを消弧し、酸素は電極酸化を促すといった不具合があった。
逆にＭｇＯの添加量が少ないと焼結助剤としての効果がなく、結晶粒子のコントロールができず粒子の均一性がなくなり強度低下及び粒内気泡排出不完全による透光性低下等の問題があった。
【発明の開示】
本発明に係る高圧放電灯用発光容器は、ＭｇＯが０．００２〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３が０．００５〜０．０２０重量％の範囲で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計を０．０３０重量％以下とし、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５となるようにアルミナに添加して焼結形成した多結晶透明アルミナ焼結体から成ることを特徴とするものである。
本発明者等はアルミナ製の高圧放電灯用発光容器として適した焼結助剤の種類及び添加量の最適値を実験により見出したもので、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の添加はアルミナ結晶粒径や焼結温度の制御、更には放電灯の長寿命化に必要であるが、添加量の合計が０．０３０重量％を超えると容器の黒化や全光線透過率劣化の原因となる。また、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の比が上記範囲を外れると、粒子の均一性や光束維持率（発光容器の黒化）の劣化がみられる。そこで、上述する条件で焼結助剤を添加することで、粒子の均一性、全光線透過率、光束維持率及び耐久性に優れ、高圧放電灯に好適な発光容器を得ることができる。
また、本発明に係る多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法は、純度９９．９％以上のアルミナ粉体に、ＭｇＯを０．００２〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００５〜０．０２０重量％の範囲で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計が０．０３０重量％以下とし、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５となるように添加して混合する混合工程と、混合したアルミナを９００〜１２００℃で仮焼する仮焼工程と、仮焼したアルミナを成形する成形工程と、成形体を還元雰囲気中で常圧焼成する焼成工程とを有することを特徴とするものである。
この製造方法により簡易な常圧焼成によって、粒子均一性及び透光性に優れた多結晶透明アルミナ焼結体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の最良の実施形態を詳細に説明する。本発明に係る多結晶透明アルミナ焼結体は、次の工程によって作成される。
先ず、９９．９％以上の高純度アルミナ粉末に０．０００５〜０．０１５重量％のＭｇＯ、０．００２５〜０．０２５重量％のＬａ２Ｏ３をＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計が０．０３０重量％以下となるように規定量炭酸塩又は硝酸塩等で純水に溶かして添加し、ボールミルで１０時間以上混合する。
次にボールミルから取り出した混合物を乾燥し、９００〜１２００℃で２〜５時間仮焼きする。この工程で、添加剤を塩から酸化物に変化させる。
仮焼き後、バインダー、分散剤等を加えてボールミルで混合し、その後気泡を取り除いて鋳込み成型により成形し、例えば図１に示す形状の高圧放電灯用発光容器を得る。図１は高圧放電灯用発光容器の断面説明図を示し、左右の縮径された端部は電極装着部１ａ，１ｂで、電極が装着されて発光管は封止され、拡径された中央部は発光空間２であり、ナトリウムや水銀等の発光物質が充填されて使用される。
成形後、空気中で７００〜１３００℃で１時間以上仮焼し、バインダー、分散剤等を除去する。更に、鋳込み成型は石膏剤を使用するので、仮焼後、不純物金属イオンを除去するためにＥＤＴＡ等を使用してキレート処理し、不純物金属イオンを除去する。その後、純水によって洗浄する。
洗浄後、乾燥させて焼成工程に入る。焼成は、真空、アンモニア分解ガス、水素等の還元雰囲気中で行い、１６５０〜１９００℃で少なくとも１時間以上保持することが望ましい。尚、添加したＭｇＯ及びＬａ２Ｏ３は焼成工程においてアルミナの粒径制御材として作用し、Ｌａ２Ｏ３は更に焼結温度を下げる作用を奏する。
このように形成した多結晶透明アルミナ焼結体の評価を表１に示す。
【表１】
【表２】
表１から、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．６６７であるテスト番号４では光束維持率が劣化し、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．６であるテスト番号１１では全光線透過率及び光束維持率が劣化する。また、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．０２であるテスト番号２，１３，１４では少なくとも全光線透過率が劣化することがわかる。但し、ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３＝０．０２でもテスト番号７では、評価は良好であるが、これは添加剤の絶対量が異なっている。
この結果を基に、更に詳しく評価した結果を表３に示す。
【表３】
表１，３より、粒子均一性及び全光線透過率を評価すると、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の比ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３を０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５の範囲とするのがが好ましく、この範囲で添加するＭｇＯを０．００２０〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００５〜０．０２０重量％とすることで、粒子均一性、全光線透過率、そして光束維持率に優れた高圧放電灯用発光容器を得ることができる。特に添加するＭｇＯが０．００３０〜０．００７５重量％、Ｌａ２Ｏ３が０．０１００〜０．０１５０重量％であって、且つ０．３３≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．４７の範囲とすると高圧放電灯用発光容器として最も好ましいことがわかる。
この０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５の範囲のうち表１のテスト番号６の多結晶透明アルミナ焼結体の断面の拡大写真を示すと図２（写真１）のようになる。また、図３（写真２）は比較のために示したテスト番号１３の粒子均一性が不良の状態の断面拡大写真であり、図２、図３は何れも４００倍に拡大した写真である。図２に示すように本発明の多結晶透明アルミナ焼結体は粒子が均一であり、高強度で全光線透過率に優れていることが理解できる。
このように、添加するＭｇＯを０．００２０〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００５〜０．０２０重量％で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計を０．０３０重量％以下として、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５とすることで、全光線透過率、光束維持率に優れた良好な高圧放電灯用発光容器を作成でき、常圧焼成により粒子均一性及び透光性に優れた多結晶透明アルミナ焼結体を得ることができる。
尚、ＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計を０．０３０重量％以下としたのは、Ｌａ２Ｏ３の添加量が多くなると、ＭｇＯとのバランスが悪くなり第２相が発生して透過率が低下するし、ＭｇＯが多くなると黒化現象を生じるためであり、０．０３０重量％以下とするのが好ましい。
また、上記実施の形態では鋳込み成型により成形しているが、発光容器の成形はロストワックス法、粉末プレス成形法、押し出しプレス成形法、凍結成形法、射出成形法、或いはゲル化成形法を適用して成型することもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、高圧放電灯用発光容器の一例を示す断面説明図である。
図２は、本発明に係る多結晶透明アルミナ焼結体の４００倍に拡大した図面に代わる断面写真である。
図３は、従来の多結晶透明アルミナ焼結体の４００倍に拡大した図面に代わる断面写真である。
Claims (2)
- ＭｇＯが０．００２〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３が０．００５〜０．０２０重量％の範囲で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計を０．０３０重量％以下とし、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５となるようにアルミナに添加して焼結形成した多結晶透明アルミナ焼結体から成ることを特徴とする高圧放電灯用発光容器。
- 純度９９．９％以上のアルミナ粉体に、ＭｇＯを０．００２〜０．０１０重量％、Ｌａ２Ｏ３を０．００５〜０．０２０重量％の範囲で且つＭｇＯとＬａ２Ｏ３の合計が０．０３０重量％以下とし、更に０．２≦ＭｇＯ／Ｌａ２Ｏ３≦０．５となるように添加して混合する混合工程と、
混合したアルミナを９００〜１２００℃で仮焼する仮焼工程と、
仮焼したアルミナを成型する成形工程と、
成形体を還元雰囲気中で常圧焼成する焼成工程とを有することを特徴とする多結晶透明アルミナ焼結体の製造方法。
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