サブミクロンの結晶粒度を有する全透過率が高いアルミナ放電容器
【課題】MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ放電容器における低い全透過率を高める。
【解決手段】MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ放電容器を熱間等方加圧焼結後の焼鈍に供する。
【解決手段】MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ放電容器を熱間等方加圧焼結後の焼鈍に供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、サブミクロンの結晶粒度を有する全透過率が高いアルミナ放電容器の製造方法及び該方法により製造される放電容器に関する。
【背景技術】
【0002】
透過性多結晶アルミナ(PCA)セラミックは、今日の高圧ナトリウム(HPS)ランプとセラミックメタルハライドランプの製造を可能にしている。これらの用途におけるアーク放電容器は、ランプ稼働時に発生する高温高圧に耐えうると同時に、封入材料による化学的な作用に対して抵抗性でなければならない。更に、該放電容器は、商用の照明用に使用可能にするために、約400nm〜約700nmの可視波長領域において>92%の全透過率を有することが一般的に要求される。
【0003】
HPSランプでは放電容器は管状であるが、一方、セラミックメタルハライドランプに関しては放電容器は円筒形状ないしほぼ球形状(張り出した形状)にわたることがある。これらの種類のアーク放電容器の例は、欧州特許出願第0587238号A1及び米国特許第5,936,351号にそれぞれ示されている。張り出した形でその端部が半球となっている形状は、より均一な温度分布をもたらし、それによりランプ封入物によるPCAの侵食が低減される。
【特許文献1】欧州特許出願第0587238号A1
【特許文献2】米国特許第5,936,351号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
PCAは透過性であるものの、透明ではないので、PCAの使用は非集束ビームランプ用に限定される。複屈折粒界散乱(Birefringent grain scattering)は、通常の焼結PCAにおけるインライン透過率損失(in-line transmittance loss)の主な原因であり、インライン透過率は一般に結晶粒度が大きくなるにつれて増大する。熱間等方加圧焼結された(sinter-HIPed)PCAの結晶粒度をサブミクロンの範囲(1マイクロメーター未満)に減少させると、散乱機構が切り替わり、それにより複屈折粒界散乱が減少する。サブミクロンの領域では、インライン透過率は、結晶粒度が小さくなるにつれて事実上増加する。サブミクロンの結晶粒度のPCAのインライン透過率と機械的強度が高いことは、改善された輝度、効率及び演色を呈する集束ビームランプ、ショートアークランプについて関心が持たれる。
【0005】
マグネシア(MgO)は一般に、アルミナ放電容器の製造における焼結助剤として、結晶成長を遅延させることと、粒界拡散を促進する一方で、粒界を拘束することのために必要とされる。ナノサイズの出発粉末を基礎とするサブミクロンのアルミナセラミックスは、完全密度の到達のために、ミクロンサイズの出発粉末を基礎とし、より大きい結晶粒度(10〜30ミクロン)のアルミナよりも高いレベルのMgOを必要とする。これは、ナノサイズの粉末は、より微細な粒子の表面を覆うのに、より高いレベルのMgOドーパントを必要とするからである。更に、より大きい結晶粒度のアルミナとは異なり、MgO系ドーパント(例えば200〜300ppmまで)は、格子と粒界の領域中に完全に溶解されることとなる。結果として、1つ又は2つの電子をとらえた酸素空孔を1個と2個の各種で含んで、高いレベルの色中心を形成しうる。これらの色中心は吸光性であるが、結果として、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ放電容器については、その高いインライン透過率にもかかわらず低い全透過率(〜78%)がもたらされる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ放電容器における低い全透過率の問題を、熱間等方加圧焼結後の焼鈍によって克服している。その焼鈍は、色中心のイオン化と集合状態を変化させるが、酸素空孔の総数を大きく変えるわけではないと考えられている。アニーリング雰囲気の温度、時間及び酸素分圧を制御して、重要となる吸光性酸素空孔部を非吸光性酸素空孔に変換する一方で、同時に、安定した微細構造を維持する(アルミン酸マグネシウムスピネルの第二相粒子の結晶粒成長又は析出は顕著でない)。結果として、熱間等方加圧焼結後の焼鈍は、約400nm〜約700nmの範囲において、>92%までの全透過率を効果的にもたらし、その水準は商用のランプ用途に適している。
【0007】
本発明の一態様によれば、セラミック放電容器の製造方法において、
(a)MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて放電容器を形成すること、
(b)該放電容器を熱間等方加圧焼結すること、及び
(c)該放電容器を焼鈍して、放電容器の全透過率を、約400nm〜約700nmの波長範囲において、>92%にまで高めること
を含む方法が提供される。
【0008】
本発明のもう一つの態様によれば、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナを含んで成るセラミック体を有するセラミック放電容器であって、該放電容器が約400nm〜約700nmの波長範囲において、92%より高い全透過率を有するセラミック放電容器が提供される。
【0009】
PCAを更にZrO2、Y2O3、Er2O3、Yb2O3、Sc2O3で同時ドープすることで、点欠損の相対数が変わりうることは予想されるが、全透過率が低いという問題は、MgOが存在するので依然としてなくならないと予想される。このように、本発明の方法は、かかる同時ドープされたアルミナセラミックの全透過率を増大させることに役立つことが望ましい。
【0010】
本発明を、別の及び更なる課題、その利点及び性能と共により良く理解するために、図面に関連して採用される以下の開示及び付属の特許請求の範囲が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
図1は、本発明によるアーク放電容器の断面図である。アーク放電容器21は、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有する多結晶アルミナを含んで成るセラミック体23を有する。セラミック体23は、約400nm〜約700nmの波長範囲において92%より高い全透過率を有する。全透過率が同様の波長範囲にわたって95%より高いことがより好ましい。セラミック体23は、アーク放電キャビティ25の範囲を決めており、そして該放電キャビティ25から外側に対向して延びる2つのキャピラリ27を有する。有利には、放電キャビティ壁の厚さは約0.8mmである。キャピラリは、その中に電極集合体(図示せず)を収容して封止するのに適しており、その電極集合体は、放電キャビティ内でアークを発生させ保持するために放電容器への電力供給用の導電路を提供する。図1に示される実施態様は、張り出した形状のアーク放電容器であるが、本発明のアーク放電容器に適した他の形状には、HPSアーク管に類似した管状アーク放電容器が含まれる。
【0012】
高純度の微細な酸化アルミニウム(アルミナ)粉末から形成されたセラミック放電容器は、等方加圧法(isopressing)、スリップ注型法、ゲル注型法(gel casting)、又は射出成形法によって圧密化することができる。一般に、MgOドーパントは圧密化前にアルミナ粉末に添加される。有利には、アルミナ粉末中のMgOドーパントは約200ppm〜約800ppmの範囲にあり、そしてそのアルミナ粉末は約150nmの平均粒度を有する。放電容器用のセラミック生素地を製造する種々の方法の詳細は、例えば欧州特許第0650184号B1(スリップ注型法)、米国特許第6,399,528号(ゲル注型法)、国際特許出願番号WO2004/007397号A1(スリップ注型法)及び欧州特許出願番号EP1053983号A2(アイソプレス法)に記載されている。
【0013】
一体の中空容器、例えば張り出した形状の放電容器の場合に、一時的なコアを成形法(例えばゲル注型法)と一緒に使用して、放電容器を形成することができる。成形後にコアを取り除くために、一時的なコア(例えば蝋)を含む生素地をコアの融点(蝋に関しては50℃未満)にまで緩慢に加熱して、融けたコア材料をキャビティ内から滴らせて流出させる。有利な一方法では、気流中で800℃にまで緩慢に加熱することでバインダー材料を取り除く。加熱速度が迅速すぎると、緻密化された粉末圧縮物内部にバインダーの取り込みが惹起されることがあり、それにより最終的な熱間等方加圧焼結された試料が灰色色調を有することとなる。予備焼結は空気中で1250〜1270℃において2時間実施され、そうして閉鎖気孔状態に至る。予備焼結された部材を熱間等方加圧(HIP)し、そして10ksiまでのアルゴン下で1270℃において焼結させる。
【0014】
放電容器の全透過率は、タングステンハロゲンランプで小さな光導体の一方の末端を点灯させ、もう一方の末端を中空体内部に入れ、そして放電容器から通過してくる全積算光束を約400nm〜約700nmの波長範囲にわたって計ることによって測定することができる。全透過率を測定するための装置を示す図を図2に示す。試料11(この場合には管状容器)は、積分球3の中心領域に、試料を両末端で保持する支持具9によって取り付けられる。遮光板13は、試料11と光検出器15との間に配置する。光ファイバ7は、一方の支持具9を通じて、試料11の中心部へと挿入される。光は、タングステンハロゲンランプ5から光ファイバ7を通じて伝導される。図3に示されるように、試料内部に位置する光ファイバ7の光放射末端17は、光ファイバの円筒軸に対して20゜の傾斜を有しており、そのため放射光は散乱され、ほぼ点放射源となる。光ファイバの末端から放射された光は、試料壁を通じて透過し、積分球によって集光され、そして全積算光束を光検出器、有利には無フィルタ型シリコン検出器(unfiltered silicon detector)によって測定される。試料を通じて透過した全積算光束の割合(光ファイバ独自により放射された全積算光束と比較して)が試料の全透過率を表す。プラスチック光ファイバの透過率は、可視スペクトルのどちらかの末端で、すなわち約400nm未満と約700nm超で減少するので、全透過率は、約400nm〜約700nmの波長範囲において効率的に測定される。前記装置に適した構成要素は、Labsphere,Inc.(North Sutton,NH在)から入手できる。
【実施例】
【0015】
ディスク(〜25mm直径×0.8mm厚)と70Wの張り出した形状の放電容器の両者を熱間等方加圧焼結によって作成した。サブミクロンの結晶粒度を有する出発アルミナ粉末は150nmの平均粒度を有し、これは220ppmのMgOでドープされていた。ディスクに関しては、測定されたインライン透過率は一般に、同じディスク内と、各ディスク間とで、全く均一であった。作成されたままの熱間等方加圧焼結されたセラミック体の残留細孔は非常に少なかった。平均結晶粒度は約0.5ミクロンであった。結晶粒度は、走査型電子顕微鏡(SEM)を介して得た画像を用いて測定された切片サイズ(intercept size)に1.5の係数を乗算することによって決定した。
【0016】
熱間等方加圧焼結された放電容器(0.8mmの壁厚を有する研磨又は未研磨の)について測定された全透過率値は比較的低く、平均約77%で69〜87%の範囲にあった。0.8mmの壁厚を有する研磨されたディスクの600nmでの分光光度計によるインライン透過率は50〜55%として測定された。空気中で1025〜1150℃において種々の期間(2〜4時間)にわたり焼鈍した後に、熱間等方加圧焼結されたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ製容器の全透過率は87〜98%に増加した(第1表)。全透過率のばらつきは、熱間等静圧圧縮における位置特異的な酸素分圧によって惹起される様々なレベルの点欠損の結果といえる。30種の焼鈍された容器のうち約10種だけが完全に無色である一方で、それらの容器の殆どが帯褐色であった。この望ましくない褐色は点欠損に関係すると考えられる。褐色は、空気焼鈍が多くの容器について全透過率を>92%にまで増大させることができなかったことの一つの根拠である。
【0017】
全透過率は、容器を湿水素中で1100℃において2時間にわたり再焼成した後でさえも変化がなかった。湿水素焼成は乾式水素(Po2が非常に低い)で焼結されたPCAの透過率を高めるので、恐らくは、前記の場合に全透過率に変化がなかったという事実は、熱間等方加圧間の酸素分圧が、乾式H2環境(Po2<1×10−12気圧)より一層低下していたということを示している。
【0018】
幾つかの空気焼鈍された試料をAr−5ppmO2雰囲気下(Po2=5×10−6気圧)に1100℃で2時間にわたり焼鈍することで、第1表(インライン透過率は括弧内に示される)に示されるように、サブミクロンの結晶粒度を有する放電容器の全透過率を87〜96%から91〜97%にまで高めた。またこれらの試料は、肉眼では殆ど無色であった。このことは、吸光性色中心をできる限り少なくする点で、焼鈍雰囲気中のPo2が5×10−6気圧であることは、空気のPo2(Po2は〜0.2気圧)又は湿水素のPo2(Po2<1×10−12気圧)よりも良いことを意味している。
【0019】
熱間等方加圧焼結後の焼鈍におけるPo2と温度範囲は、点欠損の熱力学及びそれらの拡散速度によって規定されるが、一方で、焼鈍時間とMgOレベルは、最終的な部材の厚さと出発粉末の粒度に依存する。有利には、焼鈍雰囲気は不活性ガス、例えば窒素又はアルゴンであって、約1×10−3気圧〜約1×10−9気圧、より有利には約1×10−5気圧〜約1×10−7気圧の酸素分圧を有する不活性ガスである。
【0020】
焼鈍温度が高すぎると、スピネル析出物が形成し、インライン透過率損失が発生し、そして結晶粒/残留細孔が部材を不透明にするほど成長する。焼鈍温度は、有利には約1000℃〜約1150℃の範囲であってよく、かつ焼鈍時間は、有利には約1時間〜約20時間の範囲であってよい。より有利な一実施態様では、焼鈍温度は約1100℃であり、かつ焼鈍時間は約2時間である。
【0021】
第1表 − 焼鈍の前と後の全透過率(%)(及びインライン透過率(%))
【0022】
【表1】
【0023】
UHP用のN2ガスは、一般に0.1〜1ppmの酸素(Po2=0.1〜1×10−6気圧)を含有し、それ自体で焼鈍に好ましいガスであるべきである。第2表は、窒素中で1100℃において2時間焼鈍した後に、全透過率が>92%にまで増加したことを示している。更に、もう一つの実施態様では、熱間等方加圧焼結されたままのサブミクロンの結晶粒度を有する放電容器をUHP用のN2中で1150℃において20時間にわたり直接的に焼鈍することで、全透過率が74.5%から97.2%にまで増加することが示された。
【0024】
第2表 − 様々な焼鈍の前と後の全透過率(%)(及びインライン透過率(%))
【0025】
【表2】
【0026】
該データは、熱間等方加圧焼結後の焼鈍が、全透過率を、商用の照明用に必要とされるレベルである>92%にまで増加させるといった利点を明示している。その焼鈍温度と焼鈍時間は、微細構造安定性と透明性(インライン透過率)安定性に要求される温度限界に適合している。
【0027】
目下、本発明の好ましい実施態様であると考えられるものについて示し、記載してきたが、付属の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲を逸脱することなく多様な変更及び改良がなされてよいことは、当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】図1は、本発明による張り出した形状のセラミック放電容器の断面図である
【図2】図2は、放電容器の全透過率を測定するための装置を示す図である
【図3】図3は、図2に示される装置で使用される光ファイバの傾斜端部の拡大図である
【符号の説明】
【0029】
3 積分球、 5 タングステンハロゲンランプ、 7 光ファイバ、 9 支持具、 11 試料、 13 遮光板、 15 光検出器、 17 光放射末端、 21 アーク放電容器、 23 セラミック体、 25 アーク放電キャビティ、 27 キャピラリ
【技術分野】
【0001】
本発明は、サブミクロンの結晶粒度を有する全透過率が高いアルミナ放電容器の製造方法及び該方法により製造される放電容器に関する。
【背景技術】
【0002】
透過性多結晶アルミナ(PCA)セラミックは、今日の高圧ナトリウム(HPS)ランプとセラミックメタルハライドランプの製造を可能にしている。これらの用途におけるアーク放電容器は、ランプ稼働時に発生する高温高圧に耐えうると同時に、封入材料による化学的な作用に対して抵抗性でなければならない。更に、該放電容器は、商用の照明用に使用可能にするために、約400nm〜約700nmの可視波長領域において>92%の全透過率を有することが一般的に要求される。
【0003】
HPSランプでは放電容器は管状であるが、一方、セラミックメタルハライドランプに関しては放電容器は円筒形状ないしほぼ球形状(張り出した形状)にわたることがある。これらの種類のアーク放電容器の例は、欧州特許出願第0587238号A1及び米国特許第5,936,351号にそれぞれ示されている。張り出した形でその端部が半球となっている形状は、より均一な温度分布をもたらし、それによりランプ封入物によるPCAの侵食が低減される。
【特許文献1】欧州特許出願第0587238号A1
【特許文献2】米国特許第5,936,351号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
PCAは透過性であるものの、透明ではないので、PCAの使用は非集束ビームランプ用に限定される。複屈折粒界散乱(Birefringent grain scattering)は、通常の焼結PCAにおけるインライン透過率損失(in-line transmittance loss)の主な原因であり、インライン透過率は一般に結晶粒度が大きくなるにつれて増大する。熱間等方加圧焼結された(sinter-HIPed)PCAの結晶粒度をサブミクロンの範囲(1マイクロメーター未満)に減少させると、散乱機構が切り替わり、それにより複屈折粒界散乱が減少する。サブミクロンの領域では、インライン透過率は、結晶粒度が小さくなるにつれて事実上増加する。サブミクロンの結晶粒度のPCAのインライン透過率と機械的強度が高いことは、改善された輝度、効率及び演色を呈する集束ビームランプ、ショートアークランプについて関心が持たれる。
【0005】
マグネシア(MgO)は一般に、アルミナ放電容器の製造における焼結助剤として、結晶成長を遅延させることと、粒界拡散を促進する一方で、粒界を拘束することのために必要とされる。ナノサイズの出発粉末を基礎とするサブミクロンのアルミナセラミックスは、完全密度の到達のために、ミクロンサイズの出発粉末を基礎とし、より大きい結晶粒度(10〜30ミクロン)のアルミナよりも高いレベルのMgOを必要とする。これは、ナノサイズの粉末は、より微細な粒子の表面を覆うのに、より高いレベルのMgOドーパントを必要とするからである。更に、より大きい結晶粒度のアルミナとは異なり、MgO系ドーパント(例えば200〜300ppmまで)は、格子と粒界の領域中に完全に溶解されることとなる。結果として、1つ又は2つの電子をとらえた酸素空孔を1個と2個の各種で含んで、高いレベルの色中心を形成しうる。これらの色中心は吸光性であるが、結果として、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ放電容器については、その高いインライン透過率にもかかわらず低い全透過率(〜78%)がもたらされる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ放電容器における低い全透過率の問題を、熱間等方加圧焼結後の焼鈍によって克服している。その焼鈍は、色中心のイオン化と集合状態を変化させるが、酸素空孔の総数を大きく変えるわけではないと考えられている。アニーリング雰囲気の温度、時間及び酸素分圧を制御して、重要となる吸光性酸素空孔部を非吸光性酸素空孔に変換する一方で、同時に、安定した微細構造を維持する(アルミン酸マグネシウムスピネルの第二相粒子の結晶粒成長又は析出は顕著でない)。結果として、熱間等方加圧焼結後の焼鈍は、約400nm〜約700nmの範囲において、>92%までの全透過率を効果的にもたらし、その水準は商用のランプ用途に適している。
【0007】
本発明の一態様によれば、セラミック放電容器の製造方法において、
(a)MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて放電容器を形成すること、
(b)該放電容器を熱間等方加圧焼結すること、及び
(c)該放電容器を焼鈍して、放電容器の全透過率を、約400nm〜約700nmの波長範囲において、>92%にまで高めること
を含む方法が提供される。
【0008】
本発明のもう一つの態様によれば、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナを含んで成るセラミック体を有するセラミック放電容器であって、該放電容器が約400nm〜約700nmの波長範囲において、92%より高い全透過率を有するセラミック放電容器が提供される。
【0009】
PCAを更にZrO2、Y2O3、Er2O3、Yb2O3、Sc2O3で同時ドープすることで、点欠損の相対数が変わりうることは予想されるが、全透過率が低いという問題は、MgOが存在するので依然としてなくならないと予想される。このように、本発明の方法は、かかる同時ドープされたアルミナセラミックの全透過率を増大させることに役立つことが望ましい。
【0010】
本発明を、別の及び更なる課題、その利点及び性能と共により良く理解するために、図面に関連して採用される以下の開示及び付属の特許請求の範囲が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
図1は、本発明によるアーク放電容器の断面図である。アーク放電容器21は、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有する多結晶アルミナを含んで成るセラミック体23を有する。セラミック体23は、約400nm〜約700nmの波長範囲において92%より高い全透過率を有する。全透過率が同様の波長範囲にわたって95%より高いことがより好ましい。セラミック体23は、アーク放電キャビティ25の範囲を決めており、そして該放電キャビティ25から外側に対向して延びる2つのキャピラリ27を有する。有利には、放電キャビティ壁の厚さは約0.8mmである。キャピラリは、その中に電極集合体(図示せず)を収容して封止するのに適しており、その電極集合体は、放電キャビティ内でアークを発生させ保持するために放電容器への電力供給用の導電路を提供する。図1に示される実施態様は、張り出した形状のアーク放電容器であるが、本発明のアーク放電容器に適した他の形状には、HPSアーク管に類似した管状アーク放電容器が含まれる。
【0012】
高純度の微細な酸化アルミニウム(アルミナ)粉末から形成されたセラミック放電容器は、等方加圧法(isopressing)、スリップ注型法、ゲル注型法(gel casting)、又は射出成形法によって圧密化することができる。一般に、MgOドーパントは圧密化前にアルミナ粉末に添加される。有利には、アルミナ粉末中のMgOドーパントは約200ppm〜約800ppmの範囲にあり、そしてそのアルミナ粉末は約150nmの平均粒度を有する。放電容器用のセラミック生素地を製造する種々の方法の詳細は、例えば欧州特許第0650184号B1(スリップ注型法)、米国特許第6,399,528号(ゲル注型法)、国際特許出願番号WO2004/007397号A1(スリップ注型法)及び欧州特許出願番号EP1053983号A2(アイソプレス法)に記載されている。
【0013】
一体の中空容器、例えば張り出した形状の放電容器の場合に、一時的なコアを成形法(例えばゲル注型法)と一緒に使用して、放電容器を形成することができる。成形後にコアを取り除くために、一時的なコア(例えば蝋)を含む生素地をコアの融点(蝋に関しては50℃未満)にまで緩慢に加熱して、融けたコア材料をキャビティ内から滴らせて流出させる。有利な一方法では、気流中で800℃にまで緩慢に加熱することでバインダー材料を取り除く。加熱速度が迅速すぎると、緻密化された粉末圧縮物内部にバインダーの取り込みが惹起されることがあり、それにより最終的な熱間等方加圧焼結された試料が灰色色調を有することとなる。予備焼結は空気中で1250〜1270℃において2時間実施され、そうして閉鎖気孔状態に至る。予備焼結された部材を熱間等方加圧(HIP)し、そして10ksiまでのアルゴン下で1270℃において焼結させる。
【0014】
放電容器の全透過率は、タングステンハロゲンランプで小さな光導体の一方の末端を点灯させ、もう一方の末端を中空体内部に入れ、そして放電容器から通過してくる全積算光束を約400nm〜約700nmの波長範囲にわたって計ることによって測定することができる。全透過率を測定するための装置を示す図を図2に示す。試料11(この場合には管状容器)は、積分球3の中心領域に、試料を両末端で保持する支持具9によって取り付けられる。遮光板13は、試料11と光検出器15との間に配置する。光ファイバ7は、一方の支持具9を通じて、試料11の中心部へと挿入される。光は、タングステンハロゲンランプ5から光ファイバ7を通じて伝導される。図3に示されるように、試料内部に位置する光ファイバ7の光放射末端17は、光ファイバの円筒軸に対して20゜の傾斜を有しており、そのため放射光は散乱され、ほぼ点放射源となる。光ファイバの末端から放射された光は、試料壁を通じて透過し、積分球によって集光され、そして全積算光束を光検出器、有利には無フィルタ型シリコン検出器(unfiltered silicon detector)によって測定される。試料を通じて透過した全積算光束の割合(光ファイバ独自により放射された全積算光束と比較して)が試料の全透過率を表す。プラスチック光ファイバの透過率は、可視スペクトルのどちらかの末端で、すなわち約400nm未満と約700nm超で減少するので、全透過率は、約400nm〜約700nmの波長範囲において効率的に測定される。前記装置に適した構成要素は、Labsphere,Inc.(North Sutton,NH在)から入手できる。
【実施例】
【0015】
ディスク(〜25mm直径×0.8mm厚)と70Wの張り出した形状の放電容器の両者を熱間等方加圧焼結によって作成した。サブミクロンの結晶粒度を有する出発アルミナ粉末は150nmの平均粒度を有し、これは220ppmのMgOでドープされていた。ディスクに関しては、測定されたインライン透過率は一般に、同じディスク内と、各ディスク間とで、全く均一であった。作成されたままの熱間等方加圧焼結されたセラミック体の残留細孔は非常に少なかった。平均結晶粒度は約0.5ミクロンであった。結晶粒度は、走査型電子顕微鏡(SEM)を介して得た画像を用いて測定された切片サイズ(intercept size)に1.5の係数を乗算することによって決定した。
【0016】
熱間等方加圧焼結された放電容器(0.8mmの壁厚を有する研磨又は未研磨の)について測定された全透過率値は比較的低く、平均約77%で69〜87%の範囲にあった。0.8mmの壁厚を有する研磨されたディスクの600nmでの分光光度計によるインライン透過率は50〜55%として測定された。空気中で1025〜1150℃において種々の期間(2〜4時間)にわたり焼鈍した後に、熱間等方加圧焼結されたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ製容器の全透過率は87〜98%に増加した(第1表)。全透過率のばらつきは、熱間等静圧圧縮における位置特異的な酸素分圧によって惹起される様々なレベルの点欠損の結果といえる。30種の焼鈍された容器のうち約10種だけが完全に無色である一方で、それらの容器の殆どが帯褐色であった。この望ましくない褐色は点欠損に関係すると考えられる。褐色は、空気焼鈍が多くの容器について全透過率を>92%にまで増大させることができなかったことの一つの根拠である。
【0017】
全透過率は、容器を湿水素中で1100℃において2時間にわたり再焼成した後でさえも変化がなかった。湿水素焼成は乾式水素(Po2が非常に低い)で焼結されたPCAの透過率を高めるので、恐らくは、前記の場合に全透過率に変化がなかったという事実は、熱間等方加圧間の酸素分圧が、乾式H2環境(Po2<1×10−12気圧)より一層低下していたということを示している。
【0018】
幾つかの空気焼鈍された試料をAr−5ppmO2雰囲気下(Po2=5×10−6気圧)に1100℃で2時間にわたり焼鈍することで、第1表(インライン透過率は括弧内に示される)に示されるように、サブミクロンの結晶粒度を有する放電容器の全透過率を87〜96%から91〜97%にまで高めた。またこれらの試料は、肉眼では殆ど無色であった。このことは、吸光性色中心をできる限り少なくする点で、焼鈍雰囲気中のPo2が5×10−6気圧であることは、空気のPo2(Po2は〜0.2気圧)又は湿水素のPo2(Po2<1×10−12気圧)よりも良いことを意味している。
【0019】
熱間等方加圧焼結後の焼鈍におけるPo2と温度範囲は、点欠損の熱力学及びそれらの拡散速度によって規定されるが、一方で、焼鈍時間とMgOレベルは、最終的な部材の厚さと出発粉末の粒度に依存する。有利には、焼鈍雰囲気は不活性ガス、例えば窒素又はアルゴンであって、約1×10−3気圧〜約1×10−9気圧、より有利には約1×10−5気圧〜約1×10−7気圧の酸素分圧を有する不活性ガスである。
【0020】
焼鈍温度が高すぎると、スピネル析出物が形成し、インライン透過率損失が発生し、そして結晶粒/残留細孔が部材を不透明にするほど成長する。焼鈍温度は、有利には約1000℃〜約1150℃の範囲であってよく、かつ焼鈍時間は、有利には約1時間〜約20時間の範囲であってよい。より有利な一実施態様では、焼鈍温度は約1100℃であり、かつ焼鈍時間は約2時間である。
【0021】
第1表 − 焼鈍の前と後の全透過率(%)(及びインライン透過率(%))
【0022】
【表1】
【0023】
UHP用のN2ガスは、一般に0.1〜1ppmの酸素(Po2=0.1〜1×10−6気圧)を含有し、それ自体で焼鈍に好ましいガスであるべきである。第2表は、窒素中で1100℃において2時間焼鈍した後に、全透過率が>92%にまで増加したことを示している。更に、もう一つの実施態様では、熱間等方加圧焼結されたままのサブミクロンの結晶粒度を有する放電容器をUHP用のN2中で1150℃において20時間にわたり直接的に焼鈍することで、全透過率が74.5%から97.2%にまで増加することが示された。
【0024】
第2表 − 様々な焼鈍の前と後の全透過率(%)(及びインライン透過率(%))
【0025】
【表2】
【0026】
該データは、熱間等方加圧焼結後の焼鈍が、全透過率を、商用の照明用に必要とされるレベルである>92%にまで増加させるといった利点を明示している。その焼鈍温度と焼鈍時間は、微細構造安定性と透明性(インライン透過率)安定性に要求される温度限界に適合している。
【0027】
目下、本発明の好ましい実施態様であると考えられるものについて示し、記載してきたが、付属の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲を逸脱することなく多様な変更及び改良がなされてよいことは、当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】図1は、本発明による張り出した形状のセラミック放電容器の断面図である
【図2】図2は、放電容器の全透過率を測定するための装置を示す図である
【図3】図3は、図2に示される装置で使用される光ファイバの傾斜端部の拡大図である
【符号の説明】
【0029】
3 積分球、 5 タングステンハロゲンランプ、 7 光ファイバ、 9 支持具、 11 試料、 13 遮光板、 15 光検出器、 17 光放射末端、 21 アーク放電容器、 23 セラミック体、 25 アーク放電キャビティ、 27 キャピラリ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミック放電容器の製造方法において、
(a)MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて放電容器を形成すること、
(b)該放電容器を熱間等方加圧焼結すること、及び
(c)該放電容器を焼鈍して、放電容器の全透過率を、約400nm〜約700nmの波長範囲において、>92%にまで高めること
を含む方法。
【請求項2】
放電容器を約1000℃〜約1150℃で焼鈍する、請求項1記載の方法。
【請求項3】
放電容器を約1時間〜約20時間にわたり焼鈍する、請求項2記載の方法。
【請求項4】
放電容器を約1100℃で約2時間にわたり焼鈍する、請求項1記載の方法。
【請求項5】
放電容器を、約1×10−3気圧〜約1×10−9気圧の酸素分圧を有する雰囲気中で焼鈍する、請求項1記載の方法。
【請求項6】
酸素分圧が、約1×10−5気圧〜約1×10−7気圧である、請求項5記載の方法。
【請求項7】
放電容器を約1000℃〜約1150℃で焼鈍する、請求項5記載の方法。
【請求項8】
放電容器を約1時間〜約20時間にわたり焼鈍する、請求項7記載の方法。
【請求項9】
放電容器を、約200ppm〜約800ppmのMgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて形成させる、請求項1記載の方法。
【請求項10】
放電容器を、約200ppm〜約800ppmのMgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて形成させる、請求項8記載の方法。
【請求項11】
サブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末が、約150nmの平均粒度を有する、請求項9記載の方法。
【請求項12】
焼鈍雰囲気が、窒素又はアルゴンを含んで成る、請求項5記載の方法。
【請求項13】
焼鈍雰囲気が、窒素又はアルゴンを含んで成る、請求項10記載の方法。
【請求項14】
セラミック放電容器であって、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナを含んで成るセラミック体を有し、該放電容器が約400nm〜約700nmの波長範囲において、92%より高い全透過率を有するセラミック放電容器。
【請求項15】
全透過率が95%より高い、請求項14記載の放電容器。
【請求項16】
セラミック体が、約200ppm〜約800ppmのMgOを含有する、請求項14記載の放電容器。
【請求項17】
セラミック体が放電キャビティを有し、その壁厚が約0.8mmである、請求項14記載の放電容器。
【請求項18】
サブミクロンの結晶粒度を有するアルミナが、約0.5ミクロンの平均結晶粒度を有する、請求項14記載の放電容器。
【請求項1】
セラミック放電容器の製造方法において、
(a)MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて放電容器を形成すること、
(b)該放電容器を熱間等方加圧焼結すること、及び
(c)該放電容器を焼鈍して、放電容器の全透過率を、約400nm〜約700nmの波長範囲において、>92%にまで高めること
を含む方法。
【請求項2】
放電容器を約1000℃〜約1150℃で焼鈍する、請求項1記載の方法。
【請求項3】
放電容器を約1時間〜約20時間にわたり焼鈍する、請求項2記載の方法。
【請求項4】
放電容器を約1100℃で約2時間にわたり焼鈍する、請求項1記載の方法。
【請求項5】
放電容器を、約1×10−3気圧〜約1×10−9気圧の酸素分圧を有する雰囲気中で焼鈍する、請求項1記載の方法。
【請求項6】
酸素分圧が、約1×10−5気圧〜約1×10−7気圧である、請求項5記載の方法。
【請求項7】
放電容器を約1000℃〜約1150℃で焼鈍する、請求項5記載の方法。
【請求項8】
放電容器を約1時間〜約20時間にわたり焼鈍する、請求項7記載の方法。
【請求項9】
放電容器を、約200ppm〜約800ppmのMgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて形成させる、請求項1記載の方法。
【請求項10】
放電容器を、約200ppm〜約800ppmのMgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末を用いて形成させる、請求項8記載の方法。
【請求項11】
サブミクロンの結晶粒度を有するアルミナ粉末が、約150nmの平均粒度を有する、請求項9記載の方法。
【請求項12】
焼鈍雰囲気が、窒素又はアルゴンを含んで成る、請求項5記載の方法。
【請求項13】
焼鈍雰囲気が、窒素又はアルゴンを含んで成る、請求項10記載の方法。
【請求項14】
セラミック放電容器であって、MgOでドープされたサブミクロンの結晶粒度を有するアルミナを含んで成るセラミック体を有し、該放電容器が約400nm〜約700nmの波長範囲において、92%より高い全透過率を有するセラミック放電容器。
【請求項15】
全透過率が95%より高い、請求項14記載の放電容器。
【請求項16】
セラミック体が、約200ppm〜約800ppmのMgOを含有する、請求項14記載の放電容器。
【請求項17】
セラミック体が放電キャビティを有し、その壁厚が約0.8mmである、請求項14記載の放電容器。
【請求項18】
サブミクロンの結晶粒度を有するアルミナが、約0.5ミクロンの平均結晶粒度を有する、請求項14記載の放電容器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図2】
【図3】
【公開番号】特開2006−310272(P2006−310272A)
【公開日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−66325(P2006−66325)
【出願日】平成18年3月10日(2006.3.10)
【出願人】(596104131)オスラム シルヴェニア インコーポレイテッド (72)
【氏名又は名称原語表記】OSRAM SYLVANIA Inc.
【住所又は居所原語表記】100 Endicott Street, Danvers, Massachusetts 01923, USA
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年3月10日(2006.3.10)
【出願人】(596104131)オスラム シルヴェニア インコーポレイテッド (72)
【氏名又は名称原語表記】OSRAM SYLVANIA Inc.
【住所又は居所原語表記】100 Endicott Street, Danvers, Massachusetts 01923, USA
【Fターム(参考)】
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