(57)【要約】【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。【選択図】なし【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。
【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】
2006310272.tif 000002
【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】
2006310272.tif 000003
【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
【図１】
2006310272.tif 000004
【図２】
2006310272.tif 000005
【図３】
2006310272.tif 000006