JPS632244A - 被覆セラミツク発光管を有する放電ランプおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔利用分野〕 本発明は、高圧ナトリウムランプ用セラミック発光管、
それを用いて造られたランプおよびその製造方法に関す
る。特定すると、本発明は、高圧ナトリウムランプ用の
被覆されたセラミック発光管、それを用いて造られたラ
ンプおよびその製造方法に関する。

〔発明の背景〕

高圧ナトリウムランプの採用は、１９６６年における導
入以来着実に増加しつ＼ある。この形式の光源は、白熱
ランプ、螢光ランプまたは水銀ランプよりも効率的であ
り、低圧ナトリウムランプよりもかなり改良された演色
性を示す。現今のエネルギ節約の強調の風潮に起因して
、工業的分野、公共的分野、商業的分野、さらにいまや
エネルギ消費の低い消費者利用の分野における適当な照
明として、ＨＰＳランプに対する市場の継続的な成長が
期待されている。

高圧すＦリウムＨＰＳランプの主部は、普通高密度多結
晶質アルミナから製造されガス放電を内包するセラミッ
ク発光管である。加えて、放電により発生される可視的
エネルギを透過させるため、高光透過率が必要とされる
。高温度および高圧で動作しナトリウムアマルガム充填
物を含むランプの場合、ナトリウムを包含するのにほん
の少種の物質しか適当でない。多結晶質アルミナ（ＰＣ
Ａ）のようなセラミックを使用してさえ、小量のナトリ
ウムが、多結晶質壁構造体中の拡散により発光管から逃
げ出し、ランプの排気された外被の壁に付着し、時間と
ともにガラスの透過率の低減、したがって光出力の減少
を引き起こす。

粒子成長の統計的性質に依ると、小さな粒界欠陥が生じ
、これがナトリウムが発光管から損失する他の原因とな
ることがある。

ＨＰＳランプ外被の内壁の化学的分析に依ると、高ナト
リウム含分の存在が確認された。それゆえ、ナトリウム
が多結晶質発光管壁中に入り管壁を通って移動するのを
防ぐことが望ましかろう。。

〔発明の目的〕

それゆえ、本発明の目的は、改良された高圧ナトリウム
発光管およびそれを採用して造られたランプを提供する
ことである。

本発明の他の目的は、高圧ナトリウム発光管用多結晶質
セラミック発光管外囲器上に保護被覆を被着する改良さ
れた方法を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明にしたがえば、本発明のこれらおよびその他の目
的、特徴および利点は、多結晶質セラミック発光管外囲
器、端部閉鎖体、電極、電気的コネクタおよび発光管充
填物より成る新規で改良された高圧ナトリウム発光管を
提供することにより達成される。多結晶質セラミック発
光管は、外囲器壁中のナトリウムの移動を抑制するため
、外囲器の表面上の粒界にて集中する保護酸化物被覆を
有する。

本発明の他の側面にしたがえば、外囲器中のナトリウム
の移動を抑制するため、多結晶質セラミック発光管外囲
器の表面上にその表面粒界にて集中する保護酸化物被覆
を被着する方法が提供されるが、この方法は次の３段階
を含む。

ステップ１　多結晶質セラミック発光管外囲器の陽イオ
ンに対応する金属の硝酸塩水溶液を外囲器の表面に被着
して、硝酸塩水溶液で被覆した外囲器を形成する。

ステップ２　外囲器の表面上に被覆された硝酸塩水溶液
を乾燥して、外囲器の表面上に硝酸塩被覆を形成する。

ステップ３　外囲器の表面上の硝酸塩被覆を酸化物に変
換して、多結晶質セラミック発光管外囲器の表面粒界に
て集中する保護酸化物被覆を形成する。

〔実施例の説明〕

本発明のこれらおよびその他の目的および利点を一層よ
く理解するため、以下図面を参照して本発明を好ましい
実施例について説明する。

第１図には本発明を採用した高圧ナトリウム発光管１０
が示されているが、この発光管は、焼結された高密度多
結晶質アルミナ（ＰＣＡ）より成るセラミック管の発光
管外囲器２０を備えている。

セラミックは、石英と同様透明でないが、９５％または
それ以上の非常に高い光透過率を有しており、そしてこ
れはプラズマ放電容器として非常に適当である。高圧ナ
トリウム発光管１０は、両端で密封されている。ニオブ
族のフィードスルー４０を内包する端部閉鎖体（封止層
ボタン状部材３０）、高温度のアルミン酸カルシウムを
基材とする封止層フリット５０および熱イオン電極６０
より成る電極アセンブリが、高温度のアルミン酸カルシ
ウムを基材とする封止層フリット５０を融解するに十分
に発光管を加熱することにより、発光管の端部に封止さ
れている。熱イオン電極６０は、酸化物放射物質を含浸
被覆したタングステンである。発光管１０が適当な充填
ガス例えばキセノンガス内において第２端部で密封され
る前に、発光管充填物７０．すなわち水銀ナトリウムア
マルガムが発光管７０内に配置される。発光管外囲器２
０の軸線方向における壁部に沿う壁温度が、規格電力で
平衡状態で動作するＨＰＳランプについて第３図に示さ
れている。コールドスポットすなわち発光管の端部にお
ける温度は、普通のＨＰＳランプの場合６８０°〜７２
０℃の範Ｈにあり、高演色指数を有するランプの場合約
８００℃である。この温度は、動作中放電容器内の充填
物成分の蒸気分圧を決定する。ナトリウム分圧は、自己
反転ナトリウム共鳴線の形状およびその２つの最大値間
の波長差に関係づけられ、それから誘導される。最適の
光出力に対して、自己反転ＮａＤ−線の距離は約＆ｓｎ
ｍである。動作中のランプのガス圧力は、Ｎ＆について
は、６０〜１５０）＃（８〜２０ＫＰａ）で最適値１０
５トル、Ｈｇについては４００〜８００）ル（５５〜１
０６　ＫＰａ）、そしてＸｅについては約２０トル（２
，６７ＫＰａ）である。緩衝ガスキセノン（Ｘｓ）は、
圧力の増大とともに、アーク放電の発光管壁からの熱的
隔絶を増し、ランプのスペクトル光強度分布およびその
発光効率を改善する。しかしながら、これはまた放電の
点火電圧を高くする原因となるから、普通１００　）Ａ
Ｉ（１１３ＫＰ畠）に制限される。

第２図には、多結晶質アルミナ（ＰＣＡ）発光管外囲器
２０の表面上の微細粒子アルミナ被覆８０が画かれてい
る。ＰＣＡ発光管外囲器２０は、平均で約３３ミクロン
直径の結晶寸法をもつ粒子８４を有する。結晶寸法がよ
り大きい場合、原則として透過率はより高くなるが、こ
れは粒界容積がより小さく散乱および吸収が低減される
からである。ＰＣＡ発光管外凹器２０上に生成される微
細粒子アルミナ被覆８０は、結晶寸法が約α５〜１ミク
ロンの場合約１ミクロン厚である。著しく異方性物質で
あるアルミナは、内部歪を減じ発光管の強度および透過
率を最適化するように、＠細粒子寸法で製造されるべき
である。発光管のアルミナ被覆は、ナトリウムが利用し
得る通路を封止し、より大きな粒子寸法を有する発光管
外囲器の使用を許容する。発光管外囲器壁の全厚さはｃ
Ｌ０２〜００３インチの範囲であり、光損失を減するた
めにはより薄い厚さが好ましい。

第２図に示される微細粒子アルミナ被覆８０は、可視ス
ペクトルの範囲においては非常に透過性であり、表面粒
子８４の粒界８２を封止してナトリラム充填物の移動を
減じ、それによりランプ寿命（保持率）を増大させる。

〔発光管被覆方法〕

ＰＣＡ発光管外囲器上にＡＩ、０３の高透過率被覆を生
成するため、下記の処理ステップが使用される。

１　発光管を塩化メチレンを入れたビー力に５分間入れ
、油ｈｉ来を行なう。

２　発光管外囲器をビンセットで取り出し、きれいな時
計ガラス上に置き、空気乾燥する。

五　乾燥後、発光管外囲器を硝酸アルミニウムの１５％
水溶液に５分間浸ける。

４、　過剰の流体を排出し、その後、室温で３０分間乾
燥せしめる。

５、　ついで、空気乾燥された発光管外囲器を研究室炉
に移し、それをさらに１１５℃にて２０分間乾燥する。

＆　発光管外Ｂ器をアルミナボートに入れ、マツフル炉
内で５００℃で２時間加熱する。

ｌ　加熱を完了した後、外囲器を空気で冷却し、取り出
し、試験のために取り付ける。

加えて、上述と同じ条件下で、たＹし被覆前に硝酸アル
ミニウム溶液に湿潤材２滴を加えるステップを追加して
、アルミナ発光管外囲器を被覆した。アルキルフェノキ
シポリエトキシエタノール（Ｔｒｉｔｏｎ　Ｒｏｈｍ　
ａｎｄ　Ｈａ＆ｓ社の商標）の追加は、硝酸アルミニウ
ム溶液による発光管外囲器の湿潤を改善することが分っ
た。

アルミナ発光管外囲器を処理し、乾燥し、走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）で試験した。ＳＥＭで撮影された顕微鏡
写真は、粒界８２にて集中する発光管外囲器２０の表面
上の微細粒子酸化アルミニウム被覆８０の分散状態を表
わす。被覆は速読的ではないが、粒界に沿って癒着とフ
ィルム形成の形跡がある。

ナトリウム損失を最小化し、それにより透過率を劣化せ
ず、ランプの保守率な改善することが期待されるのはこ
の好ましい粒界被覆である。

被覆方法は、下式により与えられる２段階プロセスより
成る。

化学反応式（１）および（２）により記述される硝酸ア
ルミニウムの酸化アルミニウムへの変換を、熱重量分析
により分析的に試験した。この分析の結果は第４図に示
されている。水の初損失は、約１３０℃で完了し、変換
反応は５００℃で実質的に完了する。硝酸塩の分解の際
のＮＯｘの生成はまた、完全に酸化されたアルミナ被覆
の形成の効率を高める。これは、高い光透過率および最
小の吸収度合をもつ被覆を得るのに重要である。

発光管外囲器は、ランプ動作中、管の中心にて約１２０
０℃、そして両端にて７００４〜７５０℃（コールドス
ポット）の温度に曝される。被覆ランプの光出力の安定
性について、積分球操作および測定中１００時間以上に
わたり監視した。これらの測定は、高温度におけるラン
プ動作中、発光管外囲器上の被覆はその透過特性が変化
しないことを示している。

（セラミック発光管の透光率〕 セラミック発光管の高い透過率値を得ることは重要であ
る。何故ならば、ランプのルーメン出力、したがってラ
ンプ効率は、発光管の透過率に正比例するからである。

これは、Ｆｒｅｅ、　４ｔｈ　Ｉｎｋ、Ｍ・・ｔｌｇｏ
ｎ　Ｍｏｄ＠ｒｎ　Ｃ＊ｒａｍｌｅ　Ｔ＠ｅｈｎ、　嗜
４．　Ｐ、Ｖｉｎｃ＊ｎ５ｌｎｉ　Ｅｌｉ＊ｖｌ＊ｒ。

Ｐｔｌｂｌｉｍｈｓｒｍ、　ＰＰ、　１１１４−１１２
２　　（オランダ国アムステルダム１９８０年発行）の
［Ｉｉ：ｆｆ＠ｅｔ　ｏｆ　ｔｈｅＰｒｏｐ＠ｒｔｌ＊
ｓ　　ｏｆ　　Ｔｒａｎｍｌｔ１ｃ＠ｎｔ　　Ａ１ｔ＋
ｍ１ｎａ　　ｏｎ　　ＬａｏｎｐＥｆｆｌｃｉ＠ｎｅｙ
　ｏｆ　Ｈｌｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒ＠Ｓｏｄ１ｕｍ　Ｌ
ａｍｐｓ　Ｊと：題する論文でＭ、カネオおよび１．オ
ダにより示されている。この研究結果は、ｔａ５図に示
されているが、この図は発表された実験値の範囲を示し
・ている。

（透過率の光度測定〕 実験的発光管の鏡面（インライン）および総拡散透過率
を、Ｈｏｆｆｍａｎ　Ｅｎｇｌｎｅｅｒｌｎｇ　Ｃｏｒ
ｐ、：Ｉネテイカット州所在、から入手し得る製品／品
質制御試験装置で測定した。総透過率は、内部光源上に
配置された発光管を介して伝達される光を集める積分球
で測定される。しかして、１００％設定値は飄光源に中
心ｔ−置く発光管なしで得られる。

「インライン」透過率は、発光管に入射する小面積光源
を利用し、発光管を挾んで配置された光度計を利用して
、発光管材料によシ生ずる拡散の相対度合を決定する。

このようにして読取シ値の指示を得た。

〔透過率測定の結果〕

ランプ製造において利用される選択された発光管の透過
率は下記のごとくである。

発光管外囲器 番号　　総透過率（２）インライン透過率（４）　　　
　注１　　　９４３７±α１３　　　５．６５±αｏ４
　　　　被覆前５　　　９４４５±０．１０　　　４．
６２±α０２　　　　被覆前９　　　９６．５２±α０
３　　　　五６２±α０４　　　　被覆前３　　　９４
８１±α０１　　　４．６４±αｏ４　　　非被潔対照
外囲器５は非被覆対照であり、測定の再現性を示してい
る。１０００℃で焼成の場合、管は若干オレンジ色に変
わることが観察され、透過率は総透過率において少量、
２．２５％減する。これは、発光管外囲器からのす）　
ＩＪウムの移ａｔ封止される発光管外題器としてなお受
は入れられる（外囲器φ９）。

付着されたＡＩ、Ｏ，層の５００℃での焼成は、透過率
の若干の増加を示しく外囲器Φ１）、対照発光管外囲器
に比して光出力をざらに改善している。

〔ランプ製造の例〕

必要なランプを製造するため、１５０Ｗ。

１００ｖ型のＨＰＳ発光管外囲器ｔ−選択した。発光管
外囲器の透過率を測定し、ついで発光管外囲器の表面上
に被覆を施し九。上述の方法によシ被ＦＲを被着したと
き、総透過率およびインライン透過率の再測定値は変わ
っていなかった。

次に１タングステン電極アセンブリ６０が取）付けられ
るニオブフィードスルー管４０上に封止される管外囲器
の一端部上にセラミック７リツトシール５０ｔ−形成す
ることにより、発光管外囲器２０ｔ−ランプ発光管１０
に処理する。タングステンカソードコイルは、タングス
テン酸バリウムカルシウム放射性被覆で含浸被覆し、こ
の低仕事関数材料で電極損失を減する。ランプ発光管は
、ついで、乾燥雰囲気において７５−２５％Ｈｇ　−Ｎ
　ａアマルガムを充填し、排気しそしてキセノンガスを
充填し直し、第２の電極フィードスルーシールを形成し
た後、ランプ内に２０トルの圧力、を住する。完成され
た発光管は、シールが適正に形成されること全保証する
ため、テヌラコイルで励起される低圧力放電を生じさせ
ることによシ漏洩について試験される。発光管は、つい
でランプフィードスルーステムおよび支持フレーム上に
取り付け、ついでこれを外被内に収容する。外被を加熱
し、ポンプで排気する。２Ｘ１０−’）ル以下の真空圧
力が達成された後、ステム管のチップを閉じる。

Ｂ１ゲッタを閃光させて残留ガスを吸収し、ベースをラ
ンプに付ける。

〔ランプの性能〕

この例においては、彼＠　Ｐ　ＣＡ発光管を備えるラン
フ’１１８−ｔ２１が、対照として使用される非被覆の
従来形式の発光管を有するランプ１２２−１２３と比較
される。

１０時間の動作の後、被覆ランプ１１８−１２１は１５
．０５０ルーメンの出力を維持したが、これは普通の非
被櫨のランプ対照１２２−１２３より１７４％大きい。

積分球における１００ｈ試験で、ＡＩ、Ｏ１被覆ランプ
は対照よシ４％大さがった。

５００℃で形成されたＡｌ、Ｏ，の透過率は、うング内
に合体されるとき、すなわち外側が真空に曝され内側が
Ｈｇ　ＳＮ　ａおよびＸｓに曝されるとき、７００℃〜
１２００℃の温度に加熱されることにより変っていない
ことを示す。

〔被覆ランプおよび非被覆対照ランプの寿命試験の結果〕

う７７’形式：　１５０Ｗ、１００Ｖ−ＨＰＳランプ１
１８−１２１はＡＩ、Ｏ，波 器発光管を有した。

ラング１２２−１２３は非被檄発光 管をもつ対照ランプである。

負荷として特定のランプを備える安定器にライン′４圧
が加えられるときラングが１５０Ｗで動作するように、
個々の８５６型安定器をコンデンサ値を調節することに
よシ調節した。ラング１１８−１２１はバラストＳ−５
６−５で動作し、ランプ１２２−１２５はバラストＳ−
５６−６で動作する。

ランプ動作時間 ランプ１１Ｂ−１２１ランプ１２２−１２３初試験 縦渦動作時間　　　　１０５．１時間　　　２０１５時
間予備寿命試験　　　　４Ｂ、８＃　　　　　５α４〃
連続寿命試験　　　２３，８０８　ＪＦ　　　２４８０
８　　ｐ（９９２日） 統　計　　　　　　２へ９６１９時間　２４．０５９９
時間２４９６２　　時間　２４．０６０　　時間寿命試
験中、ランプは、取付は環境を疑似するため、赤い不透
明の円筒状シールドおよびアルミニウム製の頂部閉鎖デ
ィスクを具備させて垂直に動作させた。

ルーメン出力は、較正された１メ一トル積分球で測定し
た。

寿命試験測定の結果 ｖにラング電圧、Ｉ、　＝ランプ電流、ｇｌ＝発光出力
ｔ＝動作時間 Ａ　１．　ｏ、被覆ランプ　　　　　非被９対照ランプ
÷１１８−１２１　　　　　　　　　φ１２２−１２３
（ｈｒ）（Ｖｏｌｔ）（ｋ叩）　　（Ｋｌｍ）　　（ｈ
ｒ）　　（Ｖｏｌｔ）（Ａｍｐ）（Ｋｌｍ）１０５．１
　９（１Ｂ　２．１０４１５．４１　　２０１５　８６
．４２．２３５１５．０５２”ｈ９６２９６３２．０７
２１４．９１　２４．０６０　１０７．４　　ｔ８３２
１２．７１２４．０００時間時間後のこれらのランプの
変化△Ｖｓ　　　５．５　Ｖｏ　Ｉ　ｔ　ツわち＆１％
　　　２ｔＯＶｏｌｔづわち２４．５％Δｇａ　　−α
５Ｋ１ｍすなわち−１２％　−１３４Ｋｌｍすηわち−
８，９％ＡＩ！Ｏ，被覆の発光管の場合、相当の性能の
向上が観察された。相対的電圧安定性は４の係数だけ改
善され、相対的保守率は約３の係数だけ改善された。２
４，０６０時間におけるＡＩｔＯ，被ｊ発光管ランプの
光出力は、非被覆ランプよシ＆９％大でめった。ランプ
電圧ｖ１は、ランプ効率を制御するナトリウムＤｉ距離
ＡＪＩ）に直接関係づけられる。すなわち電圧安定性と
保守率は関係する。

寿命試験データはこの関係と一致している。さらに、固
定安定器インピーダンスをもつ安定器で動作する商業的
ランプにおいては、電圧安定性とインピーダンス安定性
が望まれる。本発明のランプにおいてはこれが実現され
た。

本発明においては、応用において新規な具体的な方法が
特定され、実現された。アルミニウムアーク管上に生成
されたＡＩ、Ｏ，被覆は、光透過率の低減をもたらすこ
となく発光管壁の欠陥を封止する。さらに、小さな欠陥
に関する発光管の封止は、非被覆ランプに比して、製造
収量の改善やランプ保守率の改善をもたらした。

ＡＩ、Ｏ，被覆発光管を備えるＨＰＳランプは、対照ラ
ンプとともに製造した。そしてこれらのランプを２４．
０００時間以上動作させた。本発明のランプは、対照ラ
ンプに比して＆９％の光出力の改善、４の係数の相対電
圧安定性の改善、および約３の係数の相対保守率の改善
を示している。

以上本発明を好ましい実施例について説明したが、技術
に精通したものであれば、本発明の技術思想から逸脱す
ることなく種々の変化、変更をなし得ることは明らかで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高圧す）　ＩＪウム発光管の一部断面
の正面図である。 第２図は第１図の２−２線に沿う断面図である。 第３図は発光管長の関数である高圧ナトリウム発光管の
壁温度の曲線である。 第４図はＡ　Ｉ　（ＮＯｘ　）ｓ・９Ｈ１０のＴＧＡ曲
線である。 第５図は総透過率の関数であるラング効率の曲線である
。 １０：発光管 ２０：外囲器 ３０：封止用ボタン状部材 ４０：フイードスル− ５０＝７リツト ８０：微細粒子アルミナ被覆 ８２：粒界 ８４：粒子 Ｆ”Ｌｃ）　２゜ 屑化やり）７１（・Ｃ） Ｆ”ｉσＺ 湛、ｌ　　（＠Ｃ） Ｆ”Ｌｒ７．４゜ Ｆ”Ｌｒ７．５゜

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面、壁部および前記表面上の粒界を有する多結
   晶質セラミック発光管外囲器と、端部閉鎖体と、電極と
   、電気的コネクタと、発光管充填物とを含み、前記多結
   晶セラミック発光管外囲器が、前記発光管外囲器の表記
   表面上に前記粒界にて集中する保護酸化物被覆を有して
   おり、前記発光管外囲器壁部を通るナトリウムの移動を
   抑制することを特徴とする高圧ナトリウム発光管。
2. （２）前記多結晶セラミック発光管外囲器が多結晶質ア
   ルミナ発光管外囲器である特許請求の範囲第１項記載の
   高圧ナトリウム発光管。
3. （３）前記保護酸化物被覆がアルミナ被覆より成る特許
   請求の範囲第１項記載の高圧ナトリウム発光管。
4. （４）発光管外囲器の壁部を通るナトリウムの移動を抑
   制するため、表面、壁部および前記表面上の粒界を有す
   る多結晶質セラミック発光管外囲器上に保護酸化物被覆
   を被着する方法において、多結晶質セラミック発光管外
   囲器の表面に該外囲器の陽イオンに対応する金属の硝酸
   塩水溶液を被着して、前記硝酸塩水溶液で被覆された多
   結晶質発光管を形成する段階１と、 段階１から得られた生成物を乾燥して、前記多結晶質セ
   ラミック発光管の前記表面上に硝酸塩被覆を形成する段
   階２と、 前記表面上の硝酸被覆を酸化物に変換して、前記外囲器
   の前記表面の粒界で集中する保護酸化物被覆を形成する
   段階３と を含む保護酸化物被覆被着方法。
5. （５）前記セラミックがアルミナより成る特許請求の範
   囲第４項記載の保護酸化物被覆被着方法。
6. （６）前記保護酸化物被覆がアルミナ被覆より成る特許
   請求の範囲第４項記載の保護酸化物被覆被着方法。
7. （７）表面、壁部および前記表面上の粒界を有する多結
   晶質セラミック発光管外囲器と、端部閉鎖体と、電極と
   、電気的コネクタと、発光管充填物とを備え、前記多結
   晶質セラミック発光管外囲器が、前記発光管外囲器の前
   記表面上に前記粒界にて集中する保護酸化物被覆を有し
   ており、前記発光管外囲器壁部を通るナトリウムの移動
   を抑制するごとくした高圧ナトリウム発光管と、 外被と、 ランプフイードスルーステムと、 支持フレームと、 ベースと を備える高圧ナトリウムランプ。