(57)【要約】【課題】迅速かつ安定的に、不純物や欠陥を有しない高品位かつ安価なアルミナ発光管を供給することができる製造方法を提供し、さらにそのアルミナ発光管を用いた高輝度放電灯を提供する。【解決手段】純度９９．９９％以上のアルミナ粉末と、焼結助剤とを含む原料粉末を、純度９０％以上の多孔質アルミナ型を使用して排泥鋳込み成形することにより成形体を形成し、その後前記成形体を水素雰囲気または真空雰囲気で焼結することによりアルミナ発光管を製造し、そのアルミナ発光管をメタルハライドランプ１の発光管４に用いる。【選択図】  図３
2004315313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度９９．９９％以上のアルミナ粉末と、焼結助剤とを含む原料粉末を、純度９０％以上の多孔質アルミナ型を使用して排泥鋳込み成形することにより成形体を形成し、その後前記成形体を水素雰囲気または真空雰囲気で焼結することを特徴とするアルミナ発光管の製造方法。
【請求項２】
前記焼結助剤が、ＭｇＯ、ＺｒＯ２および希土類系酸化物から選ばれる少なくとも一つからなる請求項１に記載のアルミナ発光管の製造方法。
【請求項３】
前記アルミナ発光管に含まれる前記焼結助剤以外の不純物の量が、それぞれ１０ｐｐｍ以下である請求項１または２に記載のアルミナ発光管の製造方法。
【請求項４】
前記アルミナ粉末の平均粒子径が０．１μｍ以上０．９μｍ以下であり、前記多孔質アルミナ型の平均気孔径が前記アルミナ粉末の平均粒子径より小さく、かつ前記多孔質アルミナ型の開気孔率が２０％以上３５％以下である請求項１〜３のいずれかに記載のアルミナ発光管の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のアルミナ発光管の製造方法により製造されたことを特徴とするアルミナ発光管。
【請求項６】
α−アルミナの理論密度を３．９８７ｇ／ｃｍ３とした場合、前記アルミナ発光管の前記理論密度に対する相対密度が９９．８％以上であり、厚さが０．６ｍｍの前記アルミナ発光管の全可視光透過率が９３％以上であり、厚さが１ｍｍの前記アルミナ発光管の直線可視光透過率が６０％以上である請求項５に記載のアルミナ発光管。
【請求項７】
前記アルミナ発光管に含まれる前記焼結助剤以外の不純物の量が、それぞれ１０ｐｐｍ以下である請求項５または６に記載のアルミナ発光管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナ発光管の製造方法およびその製造方法により製造したアルミナ発光管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般照明器具として現在注目されている光源の一つに、高輝度放電灯（ＨＩＤランプ：Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ  Ｌａｍｐ）がある。ＨＩＤランプは、低電力で高輝度が得られる省エネルギー型のランプであり、高圧ナトリウムランプ、水銀灯、メタルハライドランプなどがある。中でも、メタルハライドランプ（以下、ＭＨランプという。）は、白熱灯の約１０倍、蛍光灯の約２倍の最大約１１５（ｌｍ／Ｗ）のエネルギー効率を有し、演色性にも優れるため、屋内外の空間演出照明として、また、自動車用ヘッドライト、液晶プロジェクターなどの光源として近年急速に利用範囲が拡大されている。
【０００３】
ＭＨランプは、希土類などの金属ハロゲン化物を発光物質とした放電灯である。ランプの性能を左右する因子としては、発光物質、電極、電極と発光管との封止性能、近接導体、電子安定器など様々あるが、発光物質を封入する発光管の特性は特に重要である。これまで、発光管には石英ガラスが主に使用されてきたが、金属ハロゲン化物と石英ガラスとが反応するため、寿命特性に問題があった。ＭＨランプを省エネルギー型ランプとして普及させるためには、発光管の温度を高めることにより高輝度化を達成し、かつ長寿命化を可能にする高品位な発光管を安定的に供給することが不可欠である。近年、このようなニーズから発光管として透光性アルミナが検討され、商品化が始まったところである。
【０００４】
透光性アルミナは、１９５９年にコーブル（Ｒ．  Ｌ．  Ｃｏｂｌｅ）により発明された多結晶セラミックスであり、焼結助剤としてＭｇＯを使用することで実現した。多結晶セラミックスが光を透過させるには、表面がなめらかで、粒界に不純物がなく、粒界や粒内に光の波長より大きい気孔が残存しないことなどが必要である。また、透光性アルミナの製造方法について、多くの研究者により技術が構築され、現在では以下の方法で製造されている。
【０００５】
まず、原料粉末は、純度９９．９９％以上の高純度α−アルミナ粉末が用いられている。粒子径はサブミクロン（０．１〜０．９μｍ程度）の大きさであり、凝集粒子がなく、一次粒子径分布が狭いものが望ましい。この高純度α−アルミナ粉末は、焼結性に優れる金属アルコキシド法、アンモニウムドーソナイト法などにより製造されたものが多く使用されており、最近では単結晶アルミナ粉末も使用されている。また、その成形方法は、ＣＩＰ（等方圧加圧）成形、射出成形などのほか、最近では鋳込み成形やゲルキャスティングも行われている。さらに、その焼結方法は、真空焼結、水素雰囲気焼結や、ＨＩＰ（高温等方圧加圧）焼結などがある。ＨＩＰ焼結の場合、通常カプセルフリーＨＩＰであるため、開気孔が存在しない密度まで仮焼成する工程が必要である。
【０００６】
ＭＨランプにおいて実用化されている発光管は、中央の内径の大きな発光部と内径の小さなキャピラリー部からなるものである。このキャピラリー構造は１９９４年にフィリップス社が提案したものであり、この構造により電極と発光管との封止性能が向上した。現在使用されている発光管の形状は、テーパ形や円筒形のような３ピースないしは５ピースの焼嵌め構造が主流であるが、最近では接合部分を持たない一体型で発光部が球状のものほど均一な発光特性を示すとされている。
【０００７】
ＭＨランプは高効率・高演色である省エネルギー光源として近年急速に利用範囲が拡大されており、そのキーデバイスである発光管の高品質化と品質の安定化が強く望まれている。そのためには、透光性アルミナ管の製造プロセスの見直しが不可欠であり、特に、アルミナ管の成形工程において、迅速かつ安定的に、不純物や欠陥を有しない高品位かつ安価な一体成形型のアルミナ成形体を供給する方法の確立が重要である。また、その焼成工程においても、焼成時における炉材やヒーターからの汚染を極力抑えた焼成条件を選択すべきである。
【０００８】
ここで、アルミナ成形体の成形工程における従来技術の問題点を説明する。まず、ＣＩＰ成形法では、一般に成形できる形状が直管あるいは直管に近い形状に限定される。したがって、キャピラリー構造の発光管とする場合、円筒形５ピース型など本管とキャピラリー部を別々に成形して接合する方法をとる必要がある。
【０００９】
また、射出成形法では、セラミックス粉末と樹脂の混合物を金型に圧入して形状付与を行う。したがって、管状の成形体を作製するためには、可燃性中子が必要であり、焼成過程で中子と成形体の熱膨張率の差が歩留まり低下の原因となる。さらに、多量の中子を使用するため中子の高純度化が要求される。また、射出成形機のスクリューや金型からの鉄による成形体の汚染が激しく、これが焼結体の透光性を低下させる原因となる。
【００１０】
さらに、鋳込み成形法は、固体粉末を水などの分散媒に分散させたスラリーを調製し、それを吸水性の型材を用いて固液分離する成形方法である。通常は型材として石膏が使用されており、この場合、成形体はカルシウムで汚染され、これが焼結後の亀裂や、結晶粒子の異常粒成長による透光性の低下の原因となる。成形体中のカルシウムを除去するためには、成形体を仮焼後、塩酸などで酸処理する工程が必要となる（例えば、特許文献１参照。）。また、石膏型は通常平均気孔径が３〜５μｍであり、使用するアルミナ粉末の粒子径がサブミクロンであることから、型材の目詰まりあるいは摩耗により型材の耐久性が問題となるとともに、石膏型が産業廃棄物として大量に発生する問題がある。さらに、石膏型は、成形速度が遅く、量産システムの構築が困難である。
【００１１】
一方、鋳込み成形法で用いることができる他の型材として樹脂型があるが、樹脂は基本的に無機材料と比較して濡れ性が悪く、吸引操作や加圧操作など煩雑な工程を必要とする。吸引操作をするためには、型材の気孔径をミクロンオーダー以上に大きくする必要があり、石膏型と同様に目詰まりの問題が生じる。
【００１２】
また、ゲルキャスティング法は射出成形法と同様に、管状の成形体を作製するためには可燃性中子が必要である。ゲルキャスティングは通常常温で固化させるため、可燃性中子は低融点樹脂を使用できるが、中子を使用する限り、射出成形法と同様、成形体と中子との熱膨張率の差による成形体の亀裂の問題が生じる。
【００１３】
次に、アルミナ成形体の焼成工程における問題点を説明する。最も一般的かつ安価な焼成方法として、大気雰囲気中における常圧焼結がある。この焼結方法の場合、焼結時に使用するヒーターは通常、炭化珪素あるいは二珪化モリブデンからなるヒーターである。いずれのヒーターも使用中にヒーターの表層に二酸化珪素被膜が形成され、高温焼成中に蒸気圧の高い二酸化珪素が揮発し、焼結体の純度を低下させる場合がある。焼結体が焼成中に二酸化珪素に汚染されると、粒界にガラス層を形成して結晶粒子の異常粒成長を誘発する。これにより、焼結体の強度が著しく低下し、点灯消灯時のヒートショックに耐えることができなくなる。また、カーボンヒーターあるいはカーボンを含む炉材を有する雰囲気炉あるいはＨＩＰ焼結炉を使用すると焼結体が浸炭する。焼結体中にカーボンが存在すると黒化現象によるランプ点灯中の光束維持率の低下を招く恐れがある。
【００１４】
また、本発明に関連する先行技術文献としては、例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４などがある。
【００１５】
特許文献２には、特定の成形型を用いることを特徴とする泥漿鋳込み成形法が記載され、セラミックスの鋳込み成形において、成形速度が遅いという従来の問題点をスラリーに外圧をかけるという手段ではなく、セラミックス成形型の開気孔率および気孔径を制御することにより解決するものである。すなわち、セラミックスの鋳込み成形において、石膏型の替わりに開気孔率、気孔径を制御した多孔質セラミックスを使用することにより成形速度を飛躍的に向上させている。
【００１６】
【特許文献１】
特開平８−３０１６６６号公報
【００１７】
【特許文献２】
特開平６−１７０８２１号公報
【００１８】
【特許文献３】
特開平１１−２２６９２２号公報
【００１９】
【特許文献４】
特開平１１−２２６９２３号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、迅速かつ安定的に、不純物や欠陥を有しない高品位かつ安価なアルミナ発光管を供給することができる製造方法およびその製造方法により製造したアルミナ発光管を提供するものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、純度９９．９９％以上のアルミナ粉末と、焼結助剤とを含む原料粉末を、純度９０％以上の多孔質アルミナ型を使用して排泥鋳込み成形することにより成形体を形成し、その後前記成形体を水素雰囲気または真空雰囲気で焼結することを特徴とするアルミナ発光管の製造方法を提供する。
【００２２】
また、本発明は、上記アルミナ発光管の製造方法により製造されたことを特徴とするアルミナ発光管を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミナ発光管の製造方法は、純度９９．９９％以上のアルミナ粉末と、焼結助剤とを含む原料粉末を、純度９０％以上の多孔質アルミナ型を使用して排泥鋳込み成形することにより成形体を形成し、その後前記成形体を水素雰囲気または真空雰囲気で焼結することを特徴とする。
【００２４】
これにより、迅速かつ安定的に、不純物や欠陥を有しない高品位かつ安価なアルミナ発光管を製造することができる。より具体的には、α−アルミナの理論密度を３．９８７ｇ／ｃｍ３とした場合、この理論密度に対する相対密度が９９．８％以上であり、厚さが０．６ｍｍのときの全可視光透過率が９３％以上であり、厚さが１ｍｍのときの直線可視光透過率が６０％以上である、高い透光性を有する高品位な透光性アルミナ発光管を安価に製造することが可能となる。
【００２５】
また、純度９０％以上、好ましくは純度９９％以上の多孔質アルミナ型を用いることにより、成形体が不純物で汚染されることがない。さらに、多孔質アルミナ型を用いることにより、型合わせにより生じたバリなどの除去を除き、成形後の成形体に表面研磨および酸処理などを施す必要がなくなる。従来は、例えば、石膏型を使用した場合は、成形体表面が石膏型に含まれるカルシウムによって汚染されてしまう。また、石膏型の平均気孔径は３〜５μｍであり、樹脂型の平均気孔径は通常１０μｍ以上であることが多いため、石膏型あるいは樹脂型を使用した場合は、型の気孔径が大きくなり、型と接触する成形体の表面粗度が低下する場合がある。したがって、これらの型を使用する場合は、成形後あるいは１５００℃以下の成形体の仮焼後に、表面研磨あるいは酸処理などの処理を施す必要があった。
【００２６】
さらに、成形体の焼結後に表面研磨あるいは酸処理などの処理を施す必要がなくなることにより、表面研磨工程あるいは酸処理工程が省略できるため、それらの工程での製品不良が発生することがなくなる。
【００２７】
ここで、鋳込み成形には、排泥鋳込み成形と、固形鋳込み成形とがある。排泥鋳込み成形とは、型に原料スラリーを流し込んで固液分離して成形体を形成する方法であって、型に原料スラリーを流し込んだ後、一定時間経過後に原料スラリーを排出する方法である。排泥鋳込み成形により、型の内面に一定厚みで着肉した管状または中空状の成形体を形成できる。一方、固形鋳込み成形とは、型に原料スラリーを流し込んだ後、原料スラリーを排出せずに成形する方法である。固形鋳込み成形により、内部に空間部を有しない成形体を形成できる。本発明は、アルミナ発光管の製造方法であるため、排泥鋳込み成形を行う必要がある。
【００２８】
また、本発明のアルミナ成形体の製造方法は、焼結助剤を用いる必要がある。この焼結助剤としては、例えば、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、希土類系酸化物などを用いることが好ましい。この中でも特にＭｇＯは、アルミナ結晶粒子の異常粒成長を抑制できる点でより好ましい。なお、焼結助剤は、アルミナ粉末を焼結する際に粒界ガラス相の粘性を下げ、不純物の偏析を緩和したり、粒界に安定な第二相を形成することで焼結体を緻密化させる機能を有するものである。
【００２９】
また、本発明のアルミナ発光管の製造方法は、上記アルミナ粉末の平均粒子径が０．１μｍ以上０．９μｍ以下であり、上記多孔質アルミナ型の平均気孔径がアルミナ粉末の平均粒子径より小さく、かつ多孔質アルミナ型の開気孔率が２０％以上３５％以下であることが好ましい。
【００３０】
これにより、排泥鋳込み成形に使用する高純度アルミナ粉末による多孔質アルミナ型の目詰まりを極めて少なくすることができ、型の耐久性を高めるだけでなく、排泥鋳込み成形されたアルミナ成形体の表面粗度を低くすることができる。
【００３１】
また、本発明のアルミナ発光管は、上記アルミナ発光管の製造方法により製造されたことを特徴とする。
【００３２】
これにより、α−アルミナの理論密度を３．９８７ｇ／ｃｍ３とした場合、この理論密度に対する相対密度が９９．８％以上であり、厚さが０．６ｍｍのときの全可視光透過率が９３％以上であり、厚さが１ｍｍのときの直線可視光透過率が６０％以上である、高い透光性を有する高品位な透光性アルミナ発光管を安価に得ることができる。
【００３３】
また、本発明のアルミナ発光管に含まれる上記焼結助剤以外の不純物の量は、それぞれ１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
これにより、不純物に起因した焼結体中の結晶粒子の異常粒成長および結晶粒子内の気孔の残留がなくなるため、α−アルミナの理論密度を３．９８７ｇ／ｃｍ３とした場合、この理論密度に対する相対密度が９９．８％以上であり、厚さが０．６ｍｍのときの全可視光透過率が９３％以上であり、厚さが１ｍｍのときの直線可視光透過率が６０％以上である、高い透光性を有する高品位な透光性アルミナ発光管をより容易に得ることができる。
【００３５】
また、本発明のアルミナ発光管の結晶粒子径は、３０μｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
これにより、上記アルミナ発光管の機械的強度を向上でき、このアルミナ発光管を使用した場合に、点灯消灯時のヒートショックに対する強度を向上できる。
【００３７】
また、上記アルミナ発光管を使用すると、発光効率および光束維持率の高い高品位な高輝度放電灯、特にＭＨランプを提供できる。また、上記発光管の表面租度が低いため、発光管外表面での光の散乱や外表面での欠陥による亀裂などの問題を生じることが極めて少なくなる。
【００３８】
さらに、上記高輝度放電灯は、上記発光管が細管部と発光部とを含み、この細管部と発光部との間に接合部分を有さない一体型であることが好ましい。
【００３９】
これにより、従来のテーパ型や円筒型などの焼嵌め構造の発光管の製造に必要であった接合焼嵌め工程を省略することができ、また、これにより発光管の機械的強度の向上を図ることができ、ランプ点灯時の管壁負荷を従来の焼嵌め構造に比較して高めることが可能であり、発光効率の高い高品位な高輝度放電灯、特にＭＨランプを安価に提供することができる。
【００４０】
次に、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００４１】
本発明で使用するアルミナ粉末は、純度が９９．９９％以上のアルミナであることが必要であり、好ましくは純度が９９．９９５％以上のアルミナを使用する。純度が高いほど、不純物に起因した焼成中の粒界ガラス相の生成が少なくなり、焼結体中の結晶粒子の異状粒成長がなくなるからである。
【００４２】
また、上記アルミナ粉末の平均粒子径は、好ましくは０．１〜０．９μｍ、より好ましくは０．２〜０．６μｍである。この範囲内であれば、高温で焼結しなくても焼結体を緻密化させることができるため、焼結体の結晶粒子の粒成長が小さく、結晶粒子径を所望のサイズに制御するのが容易になるとともに焼成コストを低くできる。さらに、排泥鋳込み成形時のスラリーの分散性が良くなり、成形体中に凝集粒子に起因した欠陥が生じない。
【００４３】
また、上記アルミナ粉末の粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差は、好ましくは１〜２、より好ましくは１〜１．５の間に調整されるのが望ましい。粒子径分布幅の狭いアルミナ粉末を用いることにより、ミクロ的にみて焼結過程での大きい残留気孔の生成を防止することが可能となる。すなわち、一般に広い粒子径分布幅を有する原料粉末を使用して作製された成形体は、焼結過程において気孔の成長が起こり、焼結体中に気孔を残留させる。大きい粒子に比べて小さい粒子は大きい表面エネルギーを有し、焼結過程で小さい粒子は大きい粒子側に移動して粒成長するが、そこに気孔が残留する。そこで、粒子径分布幅の狭い原料粉末を使用することにより、粒子間の表面エネルギー準位の差が小さくなり、ミクロ的にみて焼結過程での大きい残留気孔の生成を防止することが可能となる。
【００４４】
本発明では、まず、粒子径分布幅の極めて狭い原料粉末を調製する。粒子径分布幅の極めて狭いアルミナ粉末は、いかなる調製法で得られたものでもよい。これまで透光性アルミナ用原料として使用されている純度９９．９９％以上の高純度アルミナ粉末を水簸分級法により整粒してもよい。また、純度９９．９９％、平均粒子径０．４５μｍの粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差が１．２４である粒子径分布幅の狭いアルミナ粉末は、気相合成法により作製されている。さらに、これまで透光性アルミナ用原料として使用されている純度９９．９９％以上の高純度アルミナ粉末を、焼成過程における７００〜１０００℃の間の適当な温度で、５〜５０時間保持することにより粒子径分布幅を狭くすることが可能である。
【００４５】
また、本発明で使用する多孔質アルミナ型の純度は、９０％以上であることが必要である。この多孔質アルミナ型は、発光管の形状が細管部と発光部に接合部分を持たない一体型の発光管の製造に従来は採用されていなかったものである。
【００４６】
ここで、多孔質アルミナ型を用いた鋳込み成形について説明する。鋳込み成形は一種のフィルトレーションであり、成形体の着肉速度は、多孔質型の材質、気孔径および開気孔率により決定される。鋳込み成形における着肉厚さＬと鋳込み時間ｔとの間には次式（１）の関係がある。
【００４７】
【数１】
2004315313.tif 000003
【００４８】
ここで、ｋは着肉速度定数と呼ばれており、次式（２）が提案されている。
【００４９】
【数２】
2004315313.tif 000004
【００５０】
ここで、△Ｐは着肉層両端面間の圧力差（浸透圧力）、ηは水の粘度、κは着肉層の透過率、ｆ１はスラリーの粒子体積率、ｆ２は着肉層の粒子体積率である。
【００５１】
また、△Ｐは次式（３）により表される。
【００５２】
【数３】
2004315313.tif 000005
【００５３】
ｒは多孔質アルミナ型の平均気孔径、θは接触角、γは液体の表面張力であり、γｃｏｓθは濡れの自由エネルギーである。これらから、鋳込み成形の着肉速度は、同じ気孔率の場合、気孔径が小さく、濡れの自由エネルギーの大きい材質ほど大きくなることが分かる。
【００５４】
図１に多孔質アルミナ型および石膏型について、浸透圧力△Ｐと着肉速度定数ｋとの関係を示す。両者に比例関係が認められ、多孔質アルミナ型の浸透圧力は気孔径の減少とともに増加し、かつ着肉速度定数も増加している。これより、多孔質アルミナ型は、石膏型に比較して大きな着肉速度定数を有し、迅速な成形が可能であるといえる。石膏型は作製時の水分量により開気孔率を制御することは可能であるが、気孔径を大きく変えることはできない。一方、多孔質アルミナ型は、使用するアルミナ粉末の粒子径と焼成温度により、気孔径と開気孔率を自由にコントロールできる。
【００５５】
本発明に用いる多孔質アルミナ型としては、平均気孔径が０．１〜０．６μｍ、開気孔率が２０〜３５％で、純度９０％以上の多孔質アルミナ型が好ましく、その理由は以下のとおりである。本発明において使用されるアルミナ粉末は、平均粒子径が０．１〜０．９μｍで、好ましくは０．２〜０．６μｍであるため、０．６μｍを超える気孔径を有する多孔質アルミナ型では、アルミナ粉末の粒子が多孔質アルミナ型の開気孔に進入し、目詰まりを生じさせるため、多孔質アルミナ型の吸水圧力（毛細管力）を低下させ、型の寿命が短くなる。また、開気孔率については、厚肉の排泥鋳込み成形体を作製する場合に使用する多孔質アルミナ型は、成形速度を速くする必要があり、このため気孔径を小さくして毛細管力を高め、かつ多孔質型中に吸水させた媒液を速く移動させるため、開気孔率を高くする必要がある。
【００５６】
一方、１ｍｍあるいは２ｍｍ以下の薄い厚さの成形体を排泥鋳込み成形する場合、成形速度が速すぎると、鋳込み時間による厚さ制御が困難となるため、多孔質アルミナ型の開気孔率を低くし、成形速度を遅くすることにより制御する必要がある。純度については、型の純度が９０％未満であると、型に含まれている不純物が鋳込み成形体の表面を汚染する恐れがあるため、９０％以上の純度が必要であり、望ましくは９９％以上の純度が好ましい。
【００５７】
多孔質アルミナ型は、２つ割、３つ割あるいは４つ割の割型とし、排泥鋳込み成形方法は、特許文献３に記載のような連通管方式、すなわち型の下部とスラリータンクとをフレキシブルチューブでむすび、スラリータンクの上下操作でスラリーの注入と排泥を行う方法が好ましい。あるいは多孔質アルミナ型の底部からシリンジでスラリーを注入後排泥する、あるいはスラリー注入後に上部よりスラリーを吸い上げる方法も有効である。
【００５８】
排泥鋳込み成形により作製された管状のアルミナ成形体の内面（排泥面）は、表面粗度が極めて低く、概ねＲｙ０．３μｍ以下の鏡面状態である。また、外面（鋳込み面）も多孔質アルミナ型を研磨し、気孔径を鋳込み成形する高純度アルミナ粉末の粒子径よりも小さくすることで、Ｒｙ１μｍ以下にすることが可能である。さらに、石膏型を使用したときのように成形体の表面がカルシウムに汚染されることがないため、外表面の研磨や酸処理操作をする必要がない。このように研磨工程を施すことなく、表面での光の散乱の少ない高透過率かつ安価な発光管を作製することができる。
【００５９】
また、本発明の焼成工程では、水素雰囲気または真空雰囲気で行う必要がある。水素と窒素との混合ガス雰囲気でも良い。水素を使用する場合、
Ａｌ２Ｏ３（固）＋３Ｈ２（気）→  ２Ａｌ（気）＋３Ｈ２Ｏ（気）↑
の反応が起こり、アルミナ表面が揮発し、アルミナ焼結体の質量減少による寸法誤差が生じる可能性がある。これを防止するため、使用する水素ガスの露点を制御し、水分を含ませて焼成することが好ましい。
【００６０】
焼成工程におけるヒーター、炉材、雰囲気なども高純度かつ高透光性を有するアルミナ焼結体を作製する上で重要である。すなわち、最も一般的かつ安価な焼成方法として大気雰囲気での常圧焼結があるが、この場合、使用するヒーターの材質としては炭化珪素あるいは二珪化モリブデンが使用される。しかし、いずれのヒーターもヒーター表層に二酸化珪素膜が形成され、高温焼成中に蒸気圧の高い二酸化珪素が揮発し、焼結体の純度を低下させる場合がある。焼結体が焼成中に二酸化珪素に汚染されると、粒界にガラス相を形成し結晶粒子の異常粒成長を誘発する。これは、焼結体の強度を著しく低下させ、その焼結体を発光管に用いた場合に点灯消灯時のヒートショックに耐えることができなくなる。また、カーボンを用いたヒーターあるいはカーボンを含む炉材を有する雰囲気炉あるいはＨＩＰ焼結炉を使用すると焼結体が浸炭する。焼結体中にカーボンが存在すると、その焼結体を発光管に用いた場合に黒化現象によるランプ点灯中の光束維持率の低下を招く恐れがある。したがって、ヒーターの材質および炉材はアルミナ成形体への汚染の可能性が少ないタングステンあるいはモリブデンを選択することが好ましい。
【００６１】
焼結助剤としては、ＭｇＯが最も有効である。ＭｇＯは、異常粒成長抑制剤として古くから添加剤として用いられている。ＭｇＯは焼成時において粒界ガラス相の粘性を下げ、不純物の偏析を緩和することにより異常粒成長を抑制する効果がある。ＭｇＯの添加量は２００〜２０００ｐｐｍが一般的であり、好ましくは３００〜１０００ｐｐｍである。添加方法は微細なＭｇＯ粉末を直接加えるケースが多いが、微少量を均一に添加するのは極めて困難である。ＭｇＯが偏析すると、焼成中にスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）が生成する場合がある。スピネルは、アルミナと屈折率が異なるため、透光性を低下させるだけでなく、次式のように金属ハロゲン化物とも反応しやすい。
【００６２】
３ＭｇＡｌ２Ｏ４＋２ＳｃＩ３  →  ２ＡｌＳｃＯ３＋２Ａｌ２Ｏ３＋３ＭｇＩ３
このように、アルミナ焼結体を発光管に使用した場合、ランプ点灯中にアルミナの腐食と発光物質の消失によるランプの劣化が起こる。これらの防止策としては、まず、発光管の製造プロセスにおいて、不純物の混入をできるだけ防ぐことによりＭｇＯの添加量を減らすことと、ＭｇＯが偏析しないような均一な添加が重要である。すなわち、Ｍｇ２＋イオンをアルミナ粉末表面に吸着させるのが良く、アルミナスラリーの分散剤であるポリカルボン酸アンモニウム塩を介してアルミナ表面に吸着させる方法が有効である。
【００６３】
また、上記本発明のアルミナ発光管を用いる高輝度放電灯としては、高圧ナトリウムランプ、水銀灯、ＭＨランプなどが挙げられる。
【００６４】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
純度９９．９９％、平均粒子径０．４５μｍ、粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差１．２４のアルミナ粉末に、焼結助剤としてＭｇＯを５００ｐｐｍ、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を０．３質量％、ポリビニルアルコール系バインダーを２質量％、蒸留水を３７質量％加え、プラスチックスポットおよびボールを使用してスラリーを作製した。
【００６６】
これを平均気孔径０．４μｍ、開気孔率２５％、純度９９％の多孔質アルミナ型を使用して排泥鋳込み成形により、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの平板、および外径１１ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円筒状の成形体を作製した。
【００６７】
これらの成形体を乾燥後、大気雰囲気で仮焼処理を行い、次いで水素１００％雰囲気、露点−４０℃でタングステンヒーターを用いて１７５０℃で３時間の条件で焼結させた。得られた焼結体はいずれも半透明で、透光性を示し、不純物量が焼結助剤のＭｇＯ以外がいずれも１０ｐｐｍ以下で、α−アルミナの理論密度３．９８７ｇ／ｃｍ３対する相対密度が１００％の高密度焼結体であった。
【００６８】
次に、上記平板の焼結体を縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、厚さ１ｍｍに、円筒状の焼結体を外径９ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ０．６０ｍｍに加工し、両焼結体の表面粗さをＲｙ約０．５μｍに研磨した。その後、この平板の焼結体を用いて直線透過率を測定したところ、図２に示す結果となった。すなわち、厚さが１ｍｍの上記アルミナ発光管の直線透過率が、いずれの波長領域においても７４％以上を示した。また、上記円筒状の焼結体を用いて全可視光透過率を測定したところ、９３．５〜９６．６％であった。
【００６９】
（実施例２）
純度９９．９９％、平均粒子径０．４μｍ、粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差が１．３のアルミナ粉末に、焼結助剤としてＭｇＯを５００ｐｐｍ、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を０．３質量％、アクリル系バインダーを２質量％、蒸留水を４０質量％を加え、プラスチックスポットおよびボールを使用してスラリーを作製した。
【００７０】
これを平均気孔径０．２μｍ、開気孔率３０％、純度９９．９％の多孔質アルミナ型を使用した排泥鋳込み成形により成形体を作製し、乾燥後、大気雰囲気において仮焼処理を行い、次いで水素１００％雰囲気、露点−４０℃でタングステンヒーターを用いて１７５０℃で２時間の条件で焼結させた。得られた焼結体は、長さ４０ｍｍ、細管外径２．８ｍｍ、本管外径８．５ｍｍ、厚さ０．９ｍｍの接合部を有しない一体型の発光管の形状であり、得られた焼結体は半透明で、透光性を示し、不純物量が焼結助剤のＭｇＯ以外がいずれも１０ｐｐｍ以下で、α−アルミナの理論密度３．９８７ｇ／ｃｍ３に対する相対密度が１００％、全可視光透過率９５％以上の高密度透光性焼結体であった。
【００７１】
この焼結体を発光管に用い、この発光管に発光物質である金属ハロゲン化物としてＤｙＩ３−ＨｏＩ３−ＴｍＩ３−ＮａＩ−ＴｌＩを３ｍｇ／ｃｍ３入れ、タングステン電極を挿入した後、ガラスフリットを用いて封止して７０Ｗ型のＭＨランプを試作した。図３にそのＭＨランプの断面図を示す。図３において、ＭＨランプ１は、硬質ガラスからなるガラス容器２と口金３とを備え、ガラス容器２の内部には本実施例で作製した発光管４が配置されている。また、ガラス容器２内には窒素ガスが充填されている。
【００７２】
このＭＨランプの初期特性は、色温度３５００Ｋ、平均演色指数（Ｒａ）９２、発光効率８６〜９０（ｌｍ／Ｗ）、１００時間の光束維持率は８９〜９５％であり、優れた発光特性を有するＭＨランプであった。
【００７３】
続いて、下記のような各種製法により作製したアルミナ発光管の純度、焼結体密度、外面の表面粗さ、全可視光透過率を比較した。
【００７４】
（実施例３）
純度９９．９９５％、平均粒子径０．３５μｍ、粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差１．３のアルミナ粉末に、焼結助剤としてＭｇＯを５００ｐｐｍ、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を０．４質量％、アクリル系バインダーを２質量％、蒸留水を３７質量％加え、プラスチックスポットおよびボールを使用してスラリーを作製した。これを平均気孔径０．２μｍ、開気孔率３０％、純度９９．９％の多孔質アルミナ型を使用した排泥鋳込み成形により成形体を作製し、乾燥後、大気雰囲気において仮焼処理を行い、次いで水素１００％雰囲気、露点−４０℃でタングステンヒーターを用いて１７５０℃で２時間の条件で焼結させた。
【００７５】
（比較例１）
純度９９．９９５％、平均粒子径０．３５μｍ、粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差１．３のアルミナ粉末に、焼結助剤としてＭｇＯを５００ｐｐｍ、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を０．４質量％、アクリル系バインダーを２質量％、蒸留水を３７質量％加え、プラスチックスポットおよびボールを使用してスラリーを作製した。これを平均気孔径４μｍ、開気孔率３５％の石膏型を使用した排泥鋳込み成形により成形体を作製し、乾燥後、大気雰囲気において仮焼処理を行い、１ＮのＨＣｌを用いて３回洗浄して表面のＣａを除去した。次に、水素１００％雰囲気、露点−４０℃でタングステンヒーターを用いて１７５０℃で２時間の条件で焼結させた。
【００７６】
（比較例２）
純度９９．９９５％、平均粒子径０．３５μｍ、粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差１．３のアルミナ粉末に、焼結助剤としてＬａ２Ｏ３を１５０ｐｐｍ、Ｓｃ２Ｏ３を３００ｐｐｍ、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を０．４質量％、アクリル系バインダーを２質量％、蒸留水を３７質量％加え、プラスチックスポットおよびボールを使用してスラリーを作製した。これを平均気孔径０．２μｍ、開気孔率３０％、純度９９．９％の多孔質アルミナ型を使用した排泥鋳込み成形により成形体を作製し、乾燥後、大気雰囲気において仮焼処理を行い、開気孔を完全になくした。次いで、カーボンヒーターおよびカーボンを含む炉材を有するＨＩＰ焼結機を用いて、Ａｒガス１００％雰囲気のもと、焼成温度１７００℃で３時間、圧力７５０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で焼結させた。
【００７７】
（比較例３）
純度９９．９９５％、平均粒子径０．３５μｍ、粒子径分布を対数正規分布で整理した場合の標準偏差１．３のアルミナ粉末に、焼結助剤としてＭｇＯを５００ｐｐｍ、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩を０．４質量％、アクリル系バインダーを２質量％、蒸留水を３７質量％加え、プラスチックスポットおよびボールを使用してスラリーを作製した。これを平均気孔径０．２μｍ、開気孔率３０％、純度９９．９％の多孔質アルミナ型を使用した排泥鋳込み成形により成形体を作製し、乾燥後、大気雰囲気において二珪化モリブデンヒーターを用いて１７５０℃で２時間の条件で焼結させた。
【００７８】
次に、実施例３および比較例１〜３の発光管の不純物量、α−アルミナの理論密度３．９８７ｇ／ｃｍ３に対する相対密度、表面粗さ、結晶粒子径、全可視光透過率を測定した。その結果を表１、表２に示す。
【００７９】
【表１】
2004315313.tif 000006
【００８０】
【表２】
2004315313.tif 000007
【００８１】
表１から明らかなように、不純物は実施例３が最も少なくなっている。比較例１は酸洗浄を行っているものの石膏由来のＣａが２０ｐｐｍ含有している。すなわち、酸洗浄をしても完全にＣａを除去することは困難な場合が多い。Ｃａのアルミナ中への固溶限界は３０ｐｐｍと言われており、これ以上含有すると粒界にガラス相を形成する。しかし、部分的に偏析すると３０ｐｐｍ以下でもガラス相を形成する可能性があり、実際に比較例１の一部は表面にガラス相に起因した異常粒成長が確認されたサンプルもあった。比較例２はＨＩＰヒーターおよび炉材からと考えられるカーボンの浸炭が認められた。比較例３の場合、使用したヒーターは二珪化モリブデンであり、高温での焼成によりヒーターからの珪素の汚染が認められる。
【００８２】
また、表２から明らかなように、焼結体密度は実施例３および比較例２ではほぼ理論密度に達しているが、比較例１および比較例３は若干低くなっている。これは不純物に由来する異常粒成長により焼結体結晶粒子内に気孔（粒内気孔）が生成したため低くなったものと考えられる。表面粗さは多孔質アルミナ型を使用した実施例３および比較例２が低くなっている。全可視光透過率は実施例３が最も高く、次いで比較例２、比較例１、比較例３の順であった。比較例１の全可視光透過率が低い理由は、不純物により焼結体密度が低くなったことと、表面粗さが高いためである。比較例３の場合は、不純物により焼結体密度が低くなったことと、他の製法と比較して結晶粒子径が約２０μｍ（他の製法はいずれも約３０μｍ）と小さく、粒界での光の反射・屈折・散乱が多くなったためと推察される。比較例２が実施例３に比較して低くなったのは焼結体中にカーボンが浸炭しており、光が吸収されたためと考えられる。
【００８３】
以上の結果より、実施例３の製法は高品位なアルミナ発光管を作製する上で、極めて有効な方法であると言える。
【００８４】
【発明の効果】
以上のように本発明は、迅速かつ安定的に、不純物や欠陥を有しない高品位かつ安価なアルミナ発光管を供給することができる製造方法を提供し、さらにそのアルミナ発光管を用いることにより優れた特性を有する高輝度放電灯を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】多孔質アルミナ型と石膏型の浸透圧力△Ｐと着肉速度定数ｋとの関係を示す図である。
【図２】実施例１で作製した平板成形体の直線透過率と波長との関係を示す図である。
【図３】実施例２で作製したＭＨランプの断面図である。
【符号の説明】
１  ＭＨランプ
２  ガラス容器
３  口金
４  発光管
【図１】
2004315313.tif 000008
【図２】
2004315313.tif 000009
【図３】
2004315313.tif 000010