WO2010001531A1 - Ｈｉｄランプ - Google Patents

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frit glass
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hid lamp
electrode
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加藤育宏
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Kato Yasuhiro
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    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/36—Seals between parts of vessels; Seals for leading-in conductors; Leading-in conductors
    • H01J61/366—Seals for leading-in conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/827—Metal halide arc lamps

Definitions

  • the present invention relates to an HID lamp that exhibits long life, high efficiency, and high color rendering performance among discharge lamps.
  • HID lamps such as metal halide lamps are provided with sealing portions at both ends of a ceramic discharge vessel, and electrodes or plugs welded to the electrodes are inserted into the sealing portions, and the inside of the ceramic tube and the outside of the electrode (plug body) In this structure, the frit glass is melted and filled in the gap to keep the lamp seal airtight.
  • high-purity alumina ceramics YAG, yttrium oxide, etc. are generally used, and as a material for the electrode material, a combination of W, Mo, Nb, etc. and welding are used.
  • rare earth gas such as nitrogen, argon, krypton, xenon or mixed gas, mercury or sodium halide, rare earth metal halogen compounds such as Dy are usually enclosed in the discharge vessel for the purpose of developing high color rendering. ing.
  • the frit glass In order to maintain the hermeticity of the lamp for a long period of time, the frit glass must have a thermal behavior similar to the thermal expansion of the discharge vessel and the electrode (plug).
  • Patent Document 1 proposes an Al 2 O 3 —Dy 2 O 3 based glass.
  • Patent Document 2 proposes that a part of Al 2 O 3 of the Al 2 O 3 —CaO-based glass is replaced with Ga 2 O 3 and that the composition ratio is a eutectic composition to lower the melting temperature.
  • Patent Document 3 proposes a ternary frit glass made of Al 2 O 3 —Dy 2 O 3 —SiO 2 .
  • Neoceram (trade name) of Asahi Glass Co., Ltd., H ⁇ -43 of Ishizuka Glass Co., Ltd. It is known as (trade name).
  • the HID lamp always becomes a high temperature of 900 ° C. or higher when it is turned on. And it repeats between high temperature and room temperature by repeating lighting and extinction.
  • ceramics used for HID lamps have a weakness against cooling, and have a drawback that cracks are likely to occur in the sealed portion when the light is extinguished.
  • the thermal expansion is similar to the thermal expansion of the ceramic discharge vessel, the hermeticity is maintained if there is no crack. Progresses at once, and the airtightness is broken and the life of the lamp is exhausted.
  • the present invention inserts a plug body to which electrodes or electrodes are welded into sealing portions provided at both ends of a ceramic discharge vessel, and plugs and sealing portions to which electrodes or electrodes are welded.
  • the frit glass is mainly composed of Al 2 O 3 -CaO, or Al 2 O 3 -Dy 2 O 3 2 -way consisting of Type frit glass, preferably ternary type frit glass mainly composed of Al 2 O 3 —Dy 2 O 3 —SiO 2 , in which oxide and metal fine particles that do not dissolve in them are uniformly dispersed and distributed It was set as the structure to do. This contributes to the improvement of strength reliability by the so-called particle dispersion effect.
  • the fine particles that do not dissolve in the frit glass examples include ZrO 2 (zirconium oxide), ZrSiO 4 (zirconium silicate), WO 3 (tungsten oxide), TiO 2 (titanium oxide), and CeO 2 (cerium oxide).
  • the mixing ratio in the case of using these fine particles that do not form a solid solution is 0.05 wt% as the lower limit and frit glass as the outer ratio of 100 wt%, and the lower limit is less than 20 wt%.
  • the oxides as the main components are once melted in a platinum crucible and vitrified, and then rapidly cooled to form a flaky cullet. After finely pulverizing this, an organic binder is added, and it is molded and fired into a ring shape.
  • the frit ring used for sealing is, for example, the above-mentioned ZrO 2 (zirconium oxide), ZrSiO 4 (zirconium silicate) to a binary or ternary oxide powder having a melting point near the eutectic point.
  • WO 3 tungsten oxide
  • TiO 2 titanium oxide
  • CeO 2 cerium oxide
  • the cullet after cooling is finely pulverized, added with an organic binder, and formed into a ring shape. This is fired again to 1000 ° C. or higher to obtain a frit ring.
  • the particle size is preferably 1.0 ⁇ m or less because of their ease of dissolution.
  • the portion of the frit glass is amorphous, but cannot be dissolved therein, ZrO 2 (zirconium oxide), ZrSiO 4 (zirconium silicate), WO 3 (tungsten oxide), TiO 2. Since the ultrafine particle oxide of (titanium oxide) or CeO 2 (cerium oxide) is dispersed, the progress of cracks is absorbed and retained at the positions of these fine particles. As a result, the effect of suppressing the fatal crack of the lamp is greatly improved.
  • FIG. 1 is an overall view of a product incorporating the HID lamp according to the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a sealing portion of the HID lamp according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of sealing glass
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the sealed portion before melting
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the sealed portion after melting.
  • the example of the product shown in FIG. 1 has a triple tube structure that does not require a front glass, an inner tube 2 is arranged in the outer tube 1, and an HID having a ceramic discharge vessel such as alumina in the inner tube 2.
  • the lamp 3 is incorporated, and the conductors 5 and 6 extending from the base 4 are connected to the electrodes 7 and 8 of the HID lamp 3, respectively.
  • Plugs 11 and 12 made of niobium (Nb) or a niobium alloy are inserted into the sealing parts 9 and 9, and the electrodes 7 and 8 made of tungsten (W) or molybdenum (Mo) are inserted into the plugs 11 and 12. Are welded so that their axes coincide on the same axis.
  • heat radiation coils 13 and 14 are wound around the tip and intermediate portions of the electrodes 7 and 8, respectively.
  • the coils 13 and 14 are made of tungsten (W) or molybdenum (Mo), and the coil 13 at the tip is made smaller in diameter than the coil 14 at the middle so that thermionic electrons are always emitted from the tip of the electrode even at low temperatures. Yes.
  • the frit glass 15 is a Dy 2 O 3 —SiO 2 —Al 2 O 3 frit glass having a melting point near 1500 ° C., ZrO 2 (zirconium oxide), ZrSiO 4 (zirconium silicate), It has a structure in which fine particles 16 (10 ⁇ m or less) of WO 3 (tungsten oxide), TiO 2 (titanium oxide), or CeO 2 (cerium oxide) are uniformly dispersed. These fine particles may be dissolved at the time of glass melting, but are precipitated at the time of cooling.
  • the sealing portion 9 to be sealed is on the upper side, and in this state, the electrode is viewed from above. 7 and plug 11 are inserted.
  • the Nb wire 18 may be fixed to the outer periphery of the plug 11 in order to prevent positioning and dropping of the electrode.
  • the bulging portion 19 may be formed instead of the Nb wire 18.
  • a frit ring 17 is disposed outside the plug body 11, and the frit ring 17 is melted by instantaneously heating to high temperature.
  • the inner diameter of the sealing portion 9 is 0.7 mm and the outer diameter of the plug body 11 is 0.66 mm, a gap of about 0.02 mm is formed between the sealing portion 9 and the plug body 11. It will be. Since this gap is extremely narrow, the melted frit glass causes a capillary phenomenon due to its own weight and viscosity drop, enters into the gap, and solidifies upon cooling to become a sealed frit glass 15.
  • the frit ring 17 is made of, for example, a ternary oxide composed of Al 2 O 3 —Dy 2 O 3 —SiO 2 mixed at a composition ratio in the vicinity of the eutectic point, ZrO 2 (zirconium oxide) or WO 3 ( Add ultra-fine powder of tungsten oxide), put in a platinum crucible, and heat and melt at high temperature. Next, after rapid cooling, the mixture is pulverized, mixed with an organic binder, formed into a ring shape, and calcined to obtain the ring.
  • a ternary oxide composed of Al 2 O 3 —Dy 2 O 3 —SiO 2 mixed at a composition ratio in the vicinity of the eutectic point
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • WO 3 Add ultra-fine powder of tungsten oxide
  • ternary frit glass Al 2 O 3 binary system consisting -CaO, or even using a binary frit glass made of Al 2 O 3 -Dy 2 O 3 good.
  • the fine particles to be added are not limited to ZrO 2 (zirconium oxide), ZrSiO 4 (zirconium silicate), WO 3 (tungsten oxide), TiO 2 (titanium oxide) or CeO 2 (cerium oxide). As long as it does not, a metal or an intermetallic compound may be used.

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

　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。 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、Ａｌ２Ｏ３－ＣａＯからなる２元系、Ａｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３からなる２元系のフリットガラス好ましくはＡｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２からなる３元系以上のフリットガラスに、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ３（酸化タングステン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）又はＣｅＯ２（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。

Description

ＨＩＤランプ
　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Ａｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３系のガラスが提案されている。また特許文献２にはＡｌ２Ｏ３－ＣａＯ系ガラスのＡｌ２Ｏ３の一部をＧａ２Ｏ３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Ａｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２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５６－４４０２５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Ａｌ２Ｏ３－ＣａＯからなる、またはＡｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３からなる２元系のフリットガラス、好ましくは、主としてＡｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２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ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ３（酸化タングステン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）又はＣｅＯ２（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ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ３（酸化タングステン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）又はＣｅＯ２（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、ＺｒＯ２又はＷＯ３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ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ３（酸化タングステン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）又はＣｅＯ２（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。
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
　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Ｄｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３系フリットガラスにＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ３（酸化タングステン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）又はＣｅＯ２（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Ａｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２からなる３元系の酸化物に、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）又はＷＯ３（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、Ａｌ２Ｏ３－ＣａＯからなる２元系、或いはＡｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３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ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ３（酸化タングステン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）又はＣｅＯ２（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。
　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 (2)

  1. 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、Ａｌ２Ｏ３－ＣａＯからなる、もしくはＡｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３からなる２元系のガラス、またはＡｌ２Ｏ３－Ｄｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２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、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＳｉＯ４（ケイ酸ジルコニウム）、ＷＯ３（酸化タングステン）、ＴｉＯ２（酸化チタン）又はＣｅＯ２（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。
  2. 　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。
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