JP5021812B2 - 高圧放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されている高圧放電ランプに関する。

ＵＳ−Ａ ５ ８６１ ７１４号及びＵＳ−Ａ ５ ７４２ １２３号明細書からはセラミック放電容器の端部に、軸方向に積層されたサーメット部材が封止のために用いられている高圧放電ランプが公知である。

ＵＳ−Ａ ５ ７４２ １２３号明細書では、ねじ山を備えたタングステンロッドがサーメット部材内へ挿入されており、このサーメット部材の個々の層の厚みは外側に向けて増加している。前記サーメット部材のフランジはプラチナを含んだはんだによって覆われている。前記層の数は約１０である。そこでは最初の層が放電容器端部に直に載置され、最後の層はプラチナハンダを用いてフランジとタングステンロッドに気密に接合されている。

さらにＵＳ ５ ８６１ ７１４明細書では、最後の層とリード導体の間の遮蔽性が直接的な焼結処理と場合によってはガラスはんだを用いた支援のもとで形成される。但し前記両ケースにおいてはサーメット部材の製造は高コストである。また寿命については段部の数が少ないことと、最後の層とリード導体の間の密閉性を実現しなければならない構想のために満足のいく結果はまだ得られていない。

発明の開示
本発明の課題は、セラミック放電容器を備えた高圧放電ランプにおいて、その密封性が軸方向で段階付けられたサーメットの構想に基づいて一般照明での適用に対して十分な寿命を約束することができるように改善を行うことである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている構成によって解決される。

特に有利な実施形態は従属請求項に示されている。

特に攻撃性の金属ハロゲン化物が充填されているセラミック放電容器を備えたＨｇ高圧放電ランプにおける封止技術では、個々の構成要素の異なる熱膨張係数に起因して常に問題の十分な解決には至っていないことが露呈されている。

この場合スイッチオン過程とスイッチオフ過程の間の期間が長いと、加熱された期間と再び冷まされた期間の間でとりわけ電気的な接続領域においてクラックが形成される恐れがある。放電容器に使用されるＡｌ₂Ｏ₃は８.３×１０^-6Ｋ^-1の典型的な熱膨張係数を有し、残りのサーメット部材は６×１０^-6Ｋ^-1〜７×１０^-6Ｋ^-1の熱膨張係数を有している。モリブデンロッドは約５×１０^-6Ｋ^-1の熱膨張係数を有している。

本発明によれば、封止システムが次のように構成されている。すなわち毛管端部を備えたセラミック放電容器が使用されている。この放電容器には、毛管のようにほぼ同じ内径と外径を有し、軸勾配を備えた管状のサーメット部材が続いている。毛管端部へのサーメット管の接合は、高温はんだを介して行われる。この高温はんだは約１５００〜１８００℃で溶融し、確実な両面接続が可能である。代替的に、微粒子状の焼結活性なＡｌ₂Ｏ₃粉末を用いた焼結による接続が行われてもよい。サーメット管には、中央に孔部を備えたモリブデンからなるカバーキャップが載置される。このキャップは特に中央軸方向で外方へ突出するフランジを備えていてもよい。

リード部材としては少なくとも外方の端部にモリブデンピンが用いられている。典型的にはこのモリブデンピンは０.６ｍｍ〜１.２ｍｍの直径を有している。封止については、モリブデンピンがカバーキャップと共に溶接される。サーメット管へのカバーキャップの接合は、金属ベースのはんだを用いた蝋付けによって行われる。有利には、プラチナはんだが使用される。代替的に焼結活性な接続手法が選択されてもよい。

ＰＣＡ（容器、毛管部分）、サーメット管、カバーキャップの突発的に変化する熱膨張係数の問題は、多数の層を利用したサーメット管を使用することで解決される。これにより、これまで最大であった約１０層の薄膜層に代えて、さらに多くの層、例えば５０層の薄膜層を用いることが可能になる。典型的には１００層〜２００層が可能である。このことは例えばテープ厚が２０μｍ〜１００μｍの薄膜フィルムを製造するための多層化技術によっても可能である。

このサーメット管は、種々異なる組成比のＭｏ−Ａｌ₂Ｏ₃層からなっている。

セラミック放電容器端部の端面ないしは毛管端部の端面にはサーメット管の第１の層が載置されており、この層においてはＡｌ₂Ｏ₃が濃厚でＭｏが稀薄である。Ａｌ₂Ｏ₃とＭｏの間の体積比は典型的には９０：１０〜９８：２である。しかしながら、第１の層において純粋にＡｌ₂Ｏ₃だけ使用することも可能である。

サーメット管は、有利には個々の層の一定の層厚さのもとで段階的に構成され、その際個々の層におけるＭｏ成分は外側になるほど増加している。Ｍｏの含有量が多い最後の層、典型的な例ではＭｏ成分が９５Vol%である最後の層には、最終的なカバーキャップが蝋付けされる。この（内側から見て）最後の層、あるいは（外側から見て）最初の層（すなわち第１の層）は、有利には介在層よりも厚く形成されている。これは機械的な堅固性を高めるためである。

そのように段階付けられたサーメット管の製造は、"多層化技法"を介して行われる。それに対してモリブデンと酸化アルミニウムの含有比率が種々異なった薄膜が形成される。そのＭｏの成分は典型的には５〜９５Vol%の間で変化する。Ｍｏの代わりにＭｏに類似する金属、例えばＷやＲｅを用いてもよい。引き続き薄膜フィルムはそのＭｏ含有量の増加に応じて重ねられ積層される。引き続き基板に結合される積層されたフィルムから中空管は打抜き加工され、この中空管はその長手軸に沿って積層構造を有している。中空円筒管の焼結の後では、その結果として形成された段階付けられた円筒管は高温蝋付け若しくは焼結粉末を用いて毛管の端部に被着され、該毛管の別の端部には（この端部は高いＭｏ成分のフィルムを有している）カバーキャップが蝋付けされる。この種の構造は、リード部材やカバーキャップのモリブデンまでの毛管のＡｌ₂Ｏ₃の熱膨張係数の準連続的な経過を保証するだけでなく、サーメットの両端面の確実な封止も保証する。これまではこの種の微細な段階付けは、不可欠なものともみなされなかったし、ましてはそれに適した製造手法も提供できなかったし、他の部材へのサーメット管の確実な結合も得られなかった。

有利には個々の薄膜フィルムは、最初と最後の２つのカバーフィルムを除いて同じ厚さを有し、このことは製造を容易にさせる。その他にも有利には、サーメットにおけるＭｏの成分は、最初のフィルムと最後のフィルムの間でフィルムからフィルムへできるだけ一様に変化している。これは亀裂やひび割れの形成を回避するためである。第１のフィルムないし最後のフィルムのＭｏ成分は約５〜９５Vol%であるとよい。なぜならこの混合物の熱膨張係数は当接する材料ＭｏないしＡｌ₂Ｏ₃に非常に近いからである。

多層技術を介したサーメット管の製造は次のような利点を有している。すなわち個々の薄膜フィルムの製造に対するスラリーの組成が、任意の所望のＭｏ／Ａｌ₂Ｏ₃比において行うことができる。それにより熱膨張係数における非常に微細な段階付けが可能となり、これはより良好な封止に対して大きな貢献となる。

その他にも個々のフィルム（テープ）の僅かに２０〜１００μｍの厚さはが可能となる。個々の薄膜フィルムの厚みがそれほどではなくても、所定の段階付けと個々の薄膜フィルムの全体数のもとでは、段階付けされた管部の過度に大きな厚みにつながる。最終的に個々の薄膜フィルムの厚みは、サーメット管の熱膨張係数の段階付けレベルを定める。

本願の構想全体における特別な利点とは、封止技術に対する個々の構成要素の製造が分離して行えることである。シール全体はモジュラー方式で構成される。

サーメット管の個々のフィルムは、例えばＮ₂、アルゴン、フォーミングガス、Ｈ₂などの保護ガス下で１６００〜２０００℃の温度の焼結プロセスによって相互に気密に接続される。この場合組成の異なった個々の層の間で密な接続が形成される。それにより熱応力に起因するクラックが最小となり、場合によってはほぼ回避されるようになる。

有利な実施形態によれば、毛管の端面が面取り処理される。このことは寿命期間の間の第１のサーメット層と放電容器のＰＣＡの間の層間剥離の遅延と良好な心合わせに用いられる。セラミックアッセンブリ技法において面取りされた縁部は未処理の面よりも通常はストレスが少ない。

それについてはサーメット管の毛管側端面も面取りに適している。第１の薄膜フィルムはこの目的のために当初は特に厚く形成される（典型的には３００μｍまでの厚さ）。そして面取りされた傾斜面がこのサーメット管の第１の領域に圧入される。この傾斜面は未焼結の段階付けられた管部から機械的処理によって製作される。

セラミック製放電容器は、有利にはＡｌ₂０₃、例えばＰＣＡから形成されている。また通常のＭｇＯドープが用いられてもよい。ＰＣＡは一体的に形成された管部の構成材の終端層であってもよい。

ガラスはんだとしては例えばＡｌ₂Ｏ₃と希土類酸化物、特にＤｙ₂Ｏ₃の混合物のような通常のガラスはんだを使用することができる。詳細な説明は、例えばＥＰ−Ａ５８７２３８を参照されたい。この混合物は通常のはんだよりも熱的耐性があるが、良好な接合のためには通常の溶融プロセスでかかる時間よりも長い時間を必要とする。有利には高温ガラスはんだはＡｌ₂Ｏ₃とＤｙ₂Ｏ₃の混合物からなり、この場合Ａｌ₂Ｏ₃の成分は９５〜８０Vol%であり、残りがＤｙ₂Ｏ₃である。典型的な焼結温度は１７５０〜１９５０℃である。

ＰＣＡ毛管部と段階付けされたサーメットの間のろう付け接続に対しては、原材料Ａｌ₂Ｏ₃とＤｙ₂Ｏ₃からなる混合物が形成され、引き続き１６００〜１９００℃の温度のもとで共融溶融物へ変えられる。焼結の後では、凝固溶融物が微細な粉末、すなわち粒度が１〜５μｍのいわゆるフリットに粉砕される。その結果としてディスペンサに適したペーストが形成される。ＰＣＡ材料と段階付けされたサーメットの接合に対してはＰＣＡ毛管部の端面にペーストの薄い膜が被着され、引き続きその湿ったペーストに、段階付けされたサーメットのＡｌ₂Ｏ₃リッチ側が載置され位置付けされる。このペーストの乾燥は６０〜８０℃の温度で行われる。毛管とサーメット間の接合は１５００〜１９００℃の温度の焼結炉の中で少なくとも５分の保持時間で酸素を除かれながら行われる。焼結雰囲気としては、真空、又はＮ₂又はＨ₂又はフォーミングガス（Ｎ₂/Ｈ₂)が用いられる。この蝋付け特有の特性は、接合のための保持温度がＡｌＤｙはんだの溶融温度よりも遙かに高いことである。それにより以下の利点が得られる。すなわち、蝋付け温度よりも高い保持温度によって当該のはんだが通常のはんだよりも低い粘性を有する。そのためこのはんだは、毛管作用に基づいて微細な孔部内にまで浸透し、それらを永続的に十分にシールする。

蝋付け温度よりも高い温度の保持時間の延長は、はんだの結晶化を引き起こし、その際には主にＡｌ₂Ｏ₃が晶出される。Ａｌ₂Ｏ₃の晶出は溶融物中のＤｙ₂Ｏ₃の減耗によって生じる。というのもこのＤｙ₂Ｏ₃は、ＰＣＡ毛管においてもサーメットにおいてもＡｌ₂Ｏ₃の結晶粒界における高い移動性によって拡散し得るからである。このことは、温度処理後の接合部が粒界における僅かな成分のＤｙ₂Ｏ₃を伴った結晶性のＡｌ₂Ｏ₃からなることを意味する。それにより毛管作用からのＡｌ₂Ｏ₃とはんだからのＡｌ₂Ｏ₃からＡｌ₂Ｏ₃−サーメットの連続的なＡｌ₂Ｏ₃遷移部分が得られる。Ａｌ₂Ｏ₃とＤｙ₂Ｏ₃の相対比の幅広い可能性によって蝋付け温度も温度における広いスペクトルの中で設定可能となる。その他にも封止技術のための個々の構成要素の製造を個別に行うことも可能である。

セラミック放電容器を備えたリフレクタランプを示した図 一部を破断図で表したセラミック放電容器の斜視図 放電容器の断面図

発明の有利な実施形態
図１には、リフレクタランプ１が概略的に示されている。このランプはセラミック放電容器２を有している。このセラミック放電容器２は口金３に固定され、放電空間内に２つの電極５を有している。この放電容器からはリード導体７が突出している。前記口側には反射器４が固定されており、この反射器の中で放電容器は軸方向に配設されている。放電容器は充填材、典型的には金属ハロゲン化物と水銀を含んでいる。

図２には放電容器２が示されており、この放電容器は実質的にＡｌ2Ｏ3から形成されており、さらにこの放電容器は丸く膨らんだ中央部８を有している。この中央部の中に電極と金属ハロゲン化物等の充填剤が収容されている。前記中央部には毛管１０が一体的に形成されている。この毛管にはリード導体１１，例えばモリブデンピンからなるリード導体か又は周知のようにマルチ構成されたピンが挿入されており、これらのピンにはそれぞれ電極が溶接されている。実質的にはこのリード導体の後方端部がモリブデンピンである。このモリブデンピンの直径は典型的には１ｍｍである。前記毛管１０にはサーメット管１５が接続されており、これは典型的には５０層の薄膜フィルムからなる。これらの薄膜フィルムはそれぞれ典型的には５０μｍの厚さを有している。但し生じ得る例外として最初と最後のフィルムはそれぞれ２００〜３００μｍの厚みを有していてもよい。毛管とサーメット管の間には高温はんだ１６が設けられる。サーメット管１５の外側端部にはモリブデンからなるカバーキャップ１７が載置されており、このカバーキャップ１７は折曲げられた縁部１８を有している。この場合サーメット管とカバーキャップの間にはプラチナはんだ１９が封止のために設けられている。カバーキャップ１７は典型的には２００〜５００μｍの厚みを有するＭｏシートである。

カバーキャップ１７はリード導体１１と共に溶接され、リード導体はこのカバーキャップの中央孔部２０を貫通して引き出されている。有利には前記リード導体１１の良好な封止のために、カバーキャップは内方の孔部２１においてカーブしている。
典型的にはＭｏリード導体１１と毛管１０の間において５０〜１００μｍの幅の空隙が残される。同じことがサーメット管１５とＭｏリード導体１１の間の空隙に対しても当て嵌まる。

このようなランプのための典型的な充填物は、ＥＰ５８７２３８に記載されている。

毛管側の第１の層のＭｏの成分は、３〜１５Vol％であり、最後の層のＭｏ成分は８５〜９７Vol％であり、残りがＡｌ₂Ｏ₃である。それらの間には例えばそれぞれが約５０μｍの厚さの３０〜１００の層が介在している。この場合Ｍｏの成分は有利には、最初の層から最後の層まで一定の割合である。ここでは、サーメット管内とその両端のフィルム毎の熱膨張係数の変化をできるだけ小さく維持することが確かな封止のための鍵となることがわかった。この技術と共にそれらは数１０^-8 Ｋ^-1の範囲にある。

特に有利な実施形態によれば、軸方向の層は次のように並んで置かれる。すなわち熱膨張係数が良好に段階付けられて適応化されるだけでなく、種々の層の収縮特性もほぼ等しくなるように置かれる。このような要求を満たす鍵として、使用される粉末の粒度が用いられる。

封止の成功のためには、個々の構成要素の様々な熱膨張係数が相互に良好に適応化されなければならない。例えば毛管材料としてのＡｌ₂Ｏ₃は８.３×１０^-6 Ｋ^-1の熱膨張係数を有し、Ｍｏピンは５×１０^-6 Ｋ^-1の熱膨張係数を有している。このことは軸方向のサーメット構成部材を介して行われる。その際Ａｌ₂Ｏ₃からなる毛管の端面にはＭｏ/Ａｌ₂Ｏ₃層からなるサーメット管が設けられる。第１の層ないし最初の層では、毛管への遷移を確実にするためにできるだけＡｌ₂Ｏ₃がリッチにされる。Ｍｏの成分は外方に向けて増加される。Ｍｏのリッチな最後の層には、有利にはＭｏキャップが蝋付けされる。この配置構成の利点は次の通りである。
薄い層（これはフィルムとも称される）の製造のためのスラリー組成はＭ/Ａｌ₂Ｏ₃の任意の比で行うことができる。最も微細な段階付けも可能であり、これは熱的膨張係数に該当する。薄膜形成の際には、厚さが２０〜１００μｍのテープも可能である。個々のフィルムのテープ厚は、サーメットにおける熱膨張係数の段階付けレベルを定める。
封止のための個々の構成要素の製造を別個に行うことも可能である。またモジュラー方式の構造も可能である。
段階付けされた組成を伴う気密なサーメット体は焼結によって生成される。その際様々な材料領域とテープの間で密接な接合が行われる。熱応力に起因するクラックはそれによって回避される。
毛管端部に対して段階付けられたサーメット構造部を適用することによって、毛管自体を短縮することが可能となる。このことはコンパクトな放電容器に結び付き、ひいては良好な発光効率の伴うランプが得られる。なぜならそれによってランプ動作中の高い温度も達成されるからである。

段階付けられたサーメットの製造は多層技術を介して行われる。それに対しては異なるＭｏ/Ａｌ₂Ｏ₃比の薄膜フィルムが製造され、引き続きＭｏ含有量の増加に応じて重ねて積層化される。初期物質Ｍｏ及びＡｌ₂Ｏ₃は異なる焼結温度と異なる収縮特性を示すので、段階付けられた多層積層部は焼結の際にゆがみ、フラットな積層部も最終的には膨らむ。このことは最終的には個々の層接合部の剥離につながりかねない。ここではできるだけ一様な焼結収縮を示すような配置構成を見つけるとよい。このことは段階付けられたサーメットの断面における均質な焼結収縮に結び付き、不所望な膨張や剥離を回避させる。その他にもこれは焼結された積層部における内的ストレスの低減につながる。

このことを達成するために、異なる粒度の材料が試され、それらがいろいろな割合で混合された。それによって初めて個々の層の目標収縮を設定し、それと共に段階付けられたサーメット全体の収縮を制御することが可能となった。その際、表１によるサーメットは、１８＋−０.５％の面収縮でもって段階付けられたサーメットを、表２によるサーメットは、２０＋−０.５％の面収縮でもって段階付けられたサーメットを提供する。これらのデータは、Ｎ₂雰囲気において１９００℃の焼結温度で１時間の処理時間によって得られたものである。そのように製造されたサーメットは、焼結後にもその平坦な構造を維持し、密である。使用された粉末は表３に示してある。この場合Ｍｏの濃厚なサーメットフィルムは一般に焼結に対して活性であり、そのため微細な粉末の成分を高目に実現しなければならない。Ｍｏの少ないサーメットフィルムは粗い粉末の成分を高くして実現される。

表１と２の第１列にはＭｏ-Ａｌ₂Ｏ₃(Ａｌｏｘ)の層の数と体積比が示されている。第２の列には１つのＭｏ分率と複数のＡｌ₂Ｏ₃分率からなる、様々な平均粒径ｄ５０を有する構造が示されている。次の列以降にはこれらの分率の割合がグラムで示されている。最後の列には面収縮Ｓ（ｘ,ｙ）がパーセントで示してある。

表３は様々な成分を詳細に説明したものである。この場合Ｍｏ粉末の平均直径の適切な選択のもとで、１つのＭｏ分率のみが用いられており、所望の特性はＡｌ₂Ｏ₃の最大２つの分率でのみ得られたものである。この場合生じ得る面収縮の選択は実質的な好結果を保証する。

Ｍｏ分率としては１.５〜２.６μｍのｄ５０の粉末が選択されるとよい。但しｄ５０のより大きな値は必ずしも目標につながるものではない。より小さな値も不適切である。
適する熱膨張係数への過酷な要求と均質な面収縮を同時に充たすためには、様々なｄ５０値の粉末の選択が考慮されなければならない。その際４つの異なる粉末のセットが用いられ、それらの平均粒径ｄ５０は約０.０１μｍから１.０μｍ以上の範囲に亘り、すなわち２オーダー以上のマグニチュードである。提示された粉末は市販されている（例えばデグッサ社から）。

９つの層を伴った図示の実施例はより多くの層を伴った実施例に容易に移行できる。その際には例えばそれぞれ提示された組成が付加的に適宜補間されるものとなる。

Claims (9)

1. セラミック放電容器と長手軸を備えた高圧放電ランプであって、複数の電極がそれぞれリード導体を用いて放電容器から毛管を通って引き出されている形式の高圧放電ランプにおいて、
   前記毛管に管状のサーメット部材が当てられており、該サーメット部材は軸方向で相前後して積層された、異なる組成の個別の層からなっており、前記各層はＭｏとＡｌ₂Ｏ₃を含んでおり、ここで前記Ｍｏの成分は、前記毛管側から見て最初の第１の層においては３〜１５Vol%であり、最後の層では８５〜９７Vol%であり、さらに、
   前記サーメット部材の終端にはモリブデンからなるカバーキャップが載置されており、 前記カバーキャップは特にリード導体のための孔部を有しており、この場合前記カバーキャップはリード導体と共に溶接され、その際カバーキャップは金属を含有したはんだを用いてサーメット部材に接合され、この毛管とサーメット部材の間の接合は、高温ガラスはんだ又は焼結活性のＡｌ₂Ｏ₃ 粉末を用いて行われることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記サーメット部材は、少なくとも５個、有利には少なくとも８個、特に有利には少なくとも３０個の異なる層から形成され、それらの層のＭｏの成分は内側から外側へ向けて増大している、請求項１記載の高圧放電ランプ。
3. 前記サーメット部材の個々の層は、第１の層から最後の層に向けてそれぞれ２０〜１００μｍの厚さを有している、請求項１記載の高圧放電ランプ。
4. 前記複数の層の層厚さは、それぞれ実質的に同じである、請求項３記載の高圧放電ランプ。
5. 前記毛管の外方の端面におけるその内側縁部及び／又は外側縁部は面取りされ、前記サーメット部材の毛管側端面に適合するように処理されている、請求項１記載の高圧放電ランプ。
6. 管状のサーメット部材の製造方法において、
   ａ）それぞれＭｏとＡｌ₂Ｏ₃の成分を有するサーメットから形成される、層厚さが特に２０〜１００μｍの薄膜フィルムを製造するステップを有し、この場合前記Ｍｏの体積分率は３〜９７Vol%であり、
   ｂ）少なくとも５個の薄膜フィルムを束ねて積層するステップを有し、これらの薄膜のＭｏ含有量は一方の薄膜フィルムから他方の薄膜フィルムへ向けて増大しており、最初の第１の薄膜フィルムは３〜１５Vol%のＭｏ成分を有し、最後の薄膜フィルムは８５〜９７Vol%のＭｏ成分を有しており、さらに前記薄膜フィルムの層厚さは最初の薄膜フィルムから最後の薄膜フィルムの方向に向けて２０〜１００μｍであり、これによって積層構造部が形成されており、さらに、
   ｃ）前記積層構造部から管状の部材を打ち抜き加工するステップを有し、該管状部材はその長手軸に沿って段階的に異なるＭｏ含有量を有するようにしたことを特徴とする方法。
7. ＭｏとＡｌ₂Ｏ₃の成分の選択は、個々の薄膜フィルムの収縮特性が最大で１％の値だけ相互に異なるように行われる、請求項６記載の方法。
8. Ｍｏの成分に対して平均粒径ｄ５０が１.５〜２.６μｍの統一的な分率の粉末が用いられる、請求項６記載の方法。
9. Ａｌ₂Ｏ₃の成分に対して、４つまでの異なる粉末分率で組成された粉末が用いられ、前記異なる分率には、０.０１〜１.５μｍの異なる平均粒径ｄ５０が含まれる、請求項６記載の方法。

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