JPH069135B2 - 高圧ガス放電灯 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明は１対の電極に連通する真空密に封鎖した半透明
な管状セラミック発光管およびイオン化性ガス充填物を
含み、上記発光管の両端部において各電極および各外部
電流導電流導体に接続する電流引込導体を含み、少なく
とも１個の電流引込導体はセラミック粒体間に金属粒子
を含有する導電性焼結体からなるように構成された高圧
ガス放電灯に関する。

（従来の技術） この種の放電灯は米国特許第4,155,758 号明細書に記載
されている。

セラミック発光管は作動中、発光管自体が極めて高い温
度、例えば900℃またはこれ以上の温度となる種類の放
電灯に使用されている。この種の放電灯としては、高圧
ナトリウム放電灯およびハロゲン化物添加物剤を含む高
圧水銀放電灯を例示することができる。ここに記載する
「セラミック発光管（ceramic lamp vessel）」とは、
例えば半透明な気密酸化アルミニウム，アルミン酸マグ
ネシウム，酸化イットリウム，イットリウム アルミニ
ウム ガーネットおよびサファイアの如き単結晶質また
は多結晶質材料からなる発光管を意味する。多結晶質材
料は、発光管を形成する焼結プロセスに影響を及ぼす１
種以上の添加剤を含有しており、例えば酸化アルミニウ
ムの場合には100分の数パーセントの割合の酸化マグネ
シウムおよび／または酸化イットリウムを含有してい
る。

高圧放電灯のイオン化性ガス充填物の成分および発光管
の材料の熱膨脹率の両者には、放電灯におけるチュー
ブ，ワイヤまたはフード状の電流引込部材として使用で
きる金属について厳格な制限が課せられる。電極対を垂
直位置として作動させる放電灯において、一方の電流引
込導体、例えば上部導体は、他方の導体より大きい浸触
作用を受けることが多い。このためこれらの放電灯にお
いて、一方の電流引込部材についての材料の選択は他方
の導体についての材料より著しく制限される。電流引込
部材について多く用いられる金属、すなわち、ニオブは
極めて高価である欠点を有している。

上記米国特許明細書に記載されている放電灯において
は、いわゆる、サーメットが電流引込部材として用いら
れている。サーメットのセラミック粒体（ceramic gran
ules）は発光管のそれと同じか、または類似する材料に
している。このセラミック材料とは異なる熱膨脹率の金
属を、所定の容積分率で、これらのセラミック粒体間に
存在させ、分散させている。この米国特許明細書に記載
されている導電性サーメットの場合には、セラミック粒
体の寸法が大きくなるにつれて、金属の容積分率は小さ
くなる。それにもかかわらず、大きい粒体（400〜800μ
ｍ）を用いる場合でも、導電性サーメット（conducting
cermet）を得るためには少なくとも４．５容量％の金
属を存在させる必要がある。このために、上記米国特許
明細書において、金属粉末の使用量を最適にするため
に、微細なセラミック粒体を避ける必要のあることが指
摘されている。

上述の米国特許明細書の場合、セラミック粒体は金属粉
末の均一層で被覆されている。このサーメットでは、各
被覆層は合体して金属の三次元網目構造の形を有する別
個の連続相を構成し、セラミック粒体をこの連続相内に
不連続相として分散させている。セラミック粒体が小さ
い場合、または微細な粒子がセラミック粒体間に存在す
る場合、同容量のセラミック材料では、セラミック粒体
に金属粉末の均一被覆を設けるのにより多量の金属粉末
を必要とする。

大きい粒体（400〜800μｍ）を使用する場合でも、上述
の米国特許明細書に記載されているサーメットの導電率
は極めて小さい。これらの大きい粒体および４．５容量
％のタングステン粉末からなるサーメットの場合、６オ
ーム・センチメートルの抵抗率であると記載されてい
る。電流引込導体として用いられている上記サーメット
は高い電力損失を導びく。電流引込部材の一部分の寸法
が、粒体の寸法よりあまり大きくない場合には、とくに
大きい粒体を用いることができないという付加的な欠点
が存する。電流引込部材の寸法が一部でも小である場合
には、小さい粒体を用いなければならず、従って金属の
容積分率を大とするを要する欠点がある。

特に、金属の熱膨脹率がセラミック材料のそれと著しく
異なる場合には、金属の大きい容積分率は望ましくな
い。そのうえ、応力が発光管の真空密シールに悪影響を
及ぼす。

（発明の目的） 本発明の目的は、従来のものに比し、比較的に小さい粒
体を用い、かつ金属の小さい容積分率、すなわちセラミ
ックの量に対しより少量の金属を用いるにもかかわら
ず、電流引込導体の焼結体が高い導電率を有し、かつ高
い強度を有する上述の種類の高圧ガス放電灯を提供する
ことにある。

（発明の目的を達成するための構成） 本発明の高圧ガス放電灯は、上記目的を達成するため
に、電流引込導体の焼結体にセラミック粒体を含有し、
この粒体を、互いにからみ合ったセラミック材料および
金属のそれぞれの格子網目構造（interlocking network
s）の導電性素材（electrically conductig mass）中に
埋置し、この導電性素材が連続相を形成するように構成
したことを特徴とする。

（発明の効果） 本発明の放電灯においては、電流は、セラミック材料の
網状構造と入り交じって織成された金属トラックの網目
構造によって電極に供給される。これらの格子網目構造
は互いに焼結体の導電性連続相（continuous conductin
g phase）を構成する。この導電性連続相は不均質であ
るため、導電性連続相を金属のみから構成している上記
米国特許明細書に記載されている焼結体の連続相とは相
違している。

本発明の放電灯の電流引込導体における導電性連続相に
おいて、重要なことは、公知例の如く全体、またはほぼ
全体が金属から構成されることなく、所定の容積分率の
みの部分が金属から構成されていることである。この容
積分率、すなわち導電性連続相全体の容積に対する金属
の容積の比率は、一般に15〜60％、とくに20〜50％の範
囲とする。連続相における金属の容積分率が低い場合に
は、この相の導電率が失われ、これに対して金属の容積
分率が高い場合には焼結体の強度が著しく低下し、その
真空密を悪くする。

本発明における導電性連続相は、これに混入した金属の
分量の容量で５〜６倍までにすることができるから、こ
の連続相において高い導電率を維持しながら、導電性連
続相が上記米国特許における場合と同量の非混合金属か
らなる場合よりも多量のセラミック粒体を混入すること
ができる。この結果、本発明の放電灯における焼結体は
極めて小さい容積分率の金属しか含有しないが、極めて
高い導電率を有することができる。

本発明における極めて好適な例においては、導電性連続
相における金属の容積分率を30±５％にする。これらの
例では一方において導電性連続相中の金属の容積分率を
極力低くし、従ってこの相の全体の容積は、これに混入
した金属の量の容量の約３〜４倍になるようにする。こ
の結果として多量の粒体を混入することができる。また
他方において、導電性連続相における金属の容積分率は
依然として極めて大であるため、得られる焼結体全体は
極めて低い抵抗率であり、しかも焼結体中における金属
の容積分率は極めて低いという両特性を併有するように
することができる。

本発明の放電灯における焼結体に関する「容積分率（vo
lume fraction）」とは、１成分、例えば金属の容量対
構成成分の合計の容量の比であり、純粋成分の理論密度
で計算した比を意味する。

一般に、50〜500μｍの範囲の寸法を有する粒体を用い
ることができる。また、引込導体における粒体の大きさ
はこの全範囲、またはその範囲内、例えば100〜400μｍ
または400〜500μｍの範囲にすることができ、または極
めて狭い範囲、例えば200±20μｍにすることができ
る。粒体の大きさの下限はその製造中、小さい粒体を除
去する実際上の可能性により定められ、また上限は電流
引込導体の寸法によって定められる。

上記導体の最小寸法は焼結後の最大粒体の寸法より数倍
以上、例えば５倍にする必要がある。本発明によると焼
結体における粒体の容積分率は極めて高きでき、95％以
上にすることができる。

ここに記載する「寸法」とは焼結体の製造に用いる粒体
の寸法を示す。焼結中、約40％の線収縮を生じ、この結
果として使用する粒体、例えば400〜500μｍの粒体は最
終直径において、約240〜300μｍの大きさとなる。

使用する粒体は、焼結体の連続相の導電性網目構造を形
成する金属粉末に対して粗くし、かつ焼結体の連続相に
おけるセラミック網目構造を形成するセラミック粉末に
対しても粗くする。一般に、金属粉末を使用し、その粒
子は０．１〜10μｍの範囲の大きさを有するようにす
る。一般に、０．４〜１μｍ範囲の平均粒度を有する粉
末を用いる。使用するのに、特に適当な金属はＷ，Mo，
Fe，TaおよびNb、並びにその組合せである。導電性連続
相におけるセラミック網目構造においては、約６〜30m²
/gの比表面積および主として約０．３μｍの粒度を有す
る粉末を用いるのが有利である。

本発明による電流引込導体の焼結体は、金属が例えば１
容量％以下の如く、極めて低い容積分率であるにもかか
わらず、ミリオーム・センチメートル台の極めて低い抵
抗率を有している。

導電率に必要とされる焼結体における最小量の金属の指
標は表１より求められる。

この表１は、約０．４μｍの粒度を有する金属粉末、お
よび約０．３μｍの粒度および30m²/gの比表面積を有す
るセラミック粉末を用いる場合における、上記必要最小
量の金属、すなわち、導電性連続相の容積に対する金属
の容積分率と、粒体の平均大きさとの関係を示してい
る。

上記表１において、「粒体大きさ（granule size）」は
焼結前、すなわち、焼結により約40％の線収縮を生ずる
前の粒体の大きさを示している。

表１から明らかなように、連続相における金属粉末の量
を30容量％にする場合、積の値が最小となることが右側
欄に示されている。従ってこの容量比を用いると、与え
られた粒体大きさの場合に、焼結体における金属の最小
容積分率を用いることができる。それ故、導電性連続相
における金属粉末の容積分析が30容量％の場合に、金属
の必要とする最小容積分率は100μｍの粒体では３容量
％、および500μｍの粒体では０．６容量％である。

一般に、焼結体は最小必要量より多くの金属を含有す
る。また、焼結体と発光管との膨脹率の差は焼結体にお
ける金属の容積分率の選定に重要な役割を演ずる。発光
管が金属の膨脹率と焼結体のセラミック材料の膨脹率と
の中間の膨脹率を有している場合には、焼結体と発光管
との間の膨脹率の差を極めて小さくするためには、金属
の大きい容積分率が必要とされる。

焼結体は、特に次のようにして作ることができる。セラ
ミック粉末を水に膨潤する。次いで、この懸濁物に、後
焼結工程に影響を与えるMgOの如き物質を添加する。こ
の代りに、硝酸塩のようなマグネシウム塩を添加するこ
ともできる。添加量はMgOとして、例えば0.03重量％の
役割で添加することができる。

懸濁物を乾燥し、かようにして得たケーキを粉砕する。
粒体を篩分けして大きい塊を除去する。ボールの存在し
ないボールミル内で回転させた後、粒体を篩分けして所
望の篩分け部分を分離する。粒体を空気中で加熱する場
合に、マグネシウム塩は酸化物に転化する。

金属粉末またはその代りに金属酸化物粉末、およびセラ
ミック粉末を予定容量比で混合する。これは、塊りを形
成しないか、または殆ど形成しないエタノールのような
液体に粉末を懸濁することによる極めて適当な手段で行
うことができる。また、この場合に、MgOのような焼結
工程に影響を与える物質を添加することもできる。懸濁
物を乾燥する。必要に応じて、乾燥物質をボールミルで
粉砕する。金属酸化物粉末を用いる場合、例えば酸化タ
ングステンを用いる場合には、粉末を水素中において約
700℃で還元する。生成粉末混合物を、焼成後すると、
セラミック材料および金属のそれぞれの格子網目構造が
インターロックした、すなわち互いに緊密に組合わさっ
た導電性素材が得られる。

粉末混合物を粒体と予定割合で混合し、ローリングによ
り混合する。混合物を、例えば０．５〜２キロバール
（Kbar）の最終圧力で、例えば等圧的に圧縮する。得ら
れた成形体を、例えば機械的前処理後、真空中、中性ま
たは還元ガス中で約1600〜1800℃までの温度で焼結す
る。

欧州特許第28,885号明細書の前文に米国特許第4,155,75
8 号明細書が参考文献として示されている。この米国特
許明細書には電流引込導体を焼結により作るのに1600〜
1800℃の温度範囲を用いることが記載されている。しか
し、上記欧州特許明細書にはセラミック材料と金属との
強力な結合を1800〜1975℃の温度範囲で得ることが記載
されている。このような高い温度においては、強い粒子
成長（grain growth）がセラミック材料に生じ、このた
めにキャビティおよび、内部応力を生ずる。このため、
上記欧州特許明細書においては更に金属粉末をセラミッ
ク粒体に混入している。これにより、強い粒子成長を抑
制している。しかしながら、粒体に加える金属粉末は電
流引込導体の導電性に貢献しないのみならず、実際上、
金属の容積分率を高めることになる。

本発明の過程における実験において、250mn/m²より著し
く低い強度（三点曲げ試験により測定）を有する焼結体
は真空密が得られず、または維持できないことを確かめ
ている。本発明の放電灯における焼結体は約250mn/m²の
強度、またはこの値以上、一般に300〜400mn/m²の強度
を有する。この大きい強度は焼結体の構造に基因して得
られたものである。本発明は、実際上、不連続相のセラ
ミック粒体は連続相のセラミック網目構造と接触してい
る。このため、焼結中、多数のセラミック−セラミック
結合が生じ、連続相と不連続相とが互いに碇着し、固定
し会う。その結果として、電流引込導体を焼結する1600
〜1800℃の範囲の上述する比較的に低い温度でも、高い
強度および高度の真空密を得るのに充分である。しかし
他方においてこの温度は粒子成長を抑制するのに充分低
い温度である。このために、金属粉末を焼結体の粒体に
混合することを必要としない。

連続相の容積の35容量％までの金属を含有する本発明に
おける焼結体の破断表面（rupture surface）を調べた
所、これらの破断表面が粒体中に直線に伸びていること
が確かめられた。このことは明らかに、連続相の粒体に
対する接着力でなく、焼結体の組織の内部強度が焼結体
の強度を決定することを示している。この事は、セラミ
ック粒体を金属粉末からなる連続相に混入する既知の焼
結体と対照的である。金属粉末からなる連続相の場合に
は、１つの破断表面における凹所は他の破断表面から突
出する粒体に相当する。明らかに、これらの既知の焼結
体では連続相の粒体に対する接着力が低い。本発明にお
ける焼結体の連続相において、金属含有量を35容量％以
上だんだんと高めてゆくと、除々に破断表面が粒体表面
に沿って伸びるようになることを確かめた。

（実施例） 次に、本発明の放電灯の１構造例を添付図面により説明
する。

第１図において、真空密にシールした半透明管状セラミ
ック発光管１をランプキャップ３に接続する排気ガラス
外管２内に配置する。ランプキャップ３に電気的に接続
するターミナル ワイヤ４および５を発光管１により担
持する。ターミナル ワイヤ５は電流引込導体の１つと
して作用するニオブのスリーブ６に外部導体として固定
し、同時にターミナル ワイヤ４は電流引込導体として
焼結体７に接続する外部電流導体８に接続する。電流引
込導体６および７は発光管１に位置するそれぞれの電極
に担持させる。これは外からは見えない。発光管は常温
で5330Paの圧力において０．４mgのインジウム、17.5mg
の水銀、3.7mgの沃化タリウム、30mgの沃化ナトリウ
ム、２mgの沃化水銀およびアルゴンからなるイオン化性
ガス充填物を有する。

第２図に示すように、発光管１にはその端部にセラミッ
ク デイスク10を有し、このディスク10は焼結により発
光管に固定する。焼結体７は溶融接合材料13によりディ
スク10に真空密に接続する。電流引込導体として作用す
る焼結体７を焼結する場合には、タングステン電極11お
よび12、並びに外部モリブデン電流導体８はこの焼結体
７に固定し、焼結体７によって互いに電気的に接続す
る。

第１および第２図に示す放電灯は、ランプ キャップ３
を下向きにして垂直位置で作動させることができる。

焼結体７の諸特性の１例を次の表２に示す。

焼結体を次のようにして作った：先ず、25m²/gの比表面
積を有するAl₂O₃粉末を水に懸濁し、この懸濁物にMg(NO
₃)₂をAl₂O₃に対して計算して250ppmのMgOに相当する分
量で添加した。次いで、懸濁物を乾燥した。残留物を粉
砕し、500μｍの篩に通して篩分けした。粒体をボール
を入れないボールミル内で回転させ、次いで篩分けして
表２に示す部分を分離した。この部分の粒体を空気中で
10時間、600℃で、および１時間、1200℃で加熱した。
これらの粒体は焼結体の不連続相として作用する。

主として0.4μｍの粒度を有するタングステン粉末をエ
タノールに懸濁させ、表２の第３欄から金属部分を生成
する容積比の上述する種類のAl₂O₃粉末（MgO259ppm含有
する）と混合した。懸濁物を乾燥し、残留物をボールミ
ルで粉砕した。この粉末は関連する焼結体の格子網目構
造からの導電性連続相に貢献する。

粉末混合物および粒体は、表２の第２欄のタングステン
の容積分率がこれから得られるような割合で混合した。
粉末混合物および粉体はローリングにより混合した。

混合物は１．６キロバールの最終圧力で等圧的に加圧し
た。得られた成形体を正確な形に機械加工し、電流導体
および電極を設けた。全体を２時間、1700℃で焼結し
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高圧ガス放電灯の１例構造を示す説明
用線図、および 第２図は第１図に示す放電灯の構造の１部を示す説明用
線図である。 １…半透明砕状セラミック発光管 ２…排気ガラス外管 ３…ランプキャップ ４，５…ターミナル ワイヤ ６…スリーブ（電流引込導体） ７…焼結体（電流引込導体） ８…外部電流導体 10…セラミック ディスク 11，12…タングステン電極 13…溶融接合

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１対の電極に連通する真空密に封鎖した半
   透明な管状セラミック発光管、およびイオン化性ガス充
   填物を含み、上記発光管の両端部において各電極および
   各外部電流導体に接続する電流引込導体を含み、少なく
   とも１個の電流引込導体はセラミック粒体間に金属粒子
   を含有する導電性焼結体からなるように構成された高圧
   ガス放電灯において、 電流引込導体の焼結体はセラミック粒体を含有し、この
   粒体を、セラミック材料および金属のそれぞれの格子網
   目構造が互いに固定し合っている導電性素材中に埋置
   し、該素材が導電性の連続相を形成するように構成した
   ことを特徴とする高圧ガス放電灯。
2. 【請求項２】前記導電性連続相の導電性素材における金
   属の容積分率を連続相の容積の20〜50％の範囲にした特
   許請求の範囲第１項記載の高圧ガス放電灯。
3. 【請求項３】前記導電性素材における金属の容積分率を
   連続相の容積の25〜35％の範囲にした特許請求の範囲第
   ２項記載の高圧ガス放電灯。