专利名称：高压水银灯及高压水银灯用密封材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压水银灯及高压水银灯用密封材料。
背景技术：
使用石英制的发光管、在发光管的内部封入了高压水银的高压水银灯用于OHP(高架式投影仪)、液晶投影仪、汽车用前照灯上。由于由石英构成的发光管是透明的，故可以将放电管内的由电弧形成的发光部直接作为放电灯的点光源使用。
特开昭55-117859号公报所述的高压水银灯中，将金属箔固定在石英制的发光管端部上，对发光管端部进行夹紧密封。金属箔使用由钽、铌、铬、钇等金属被覆在钼箔表面上的材料。在该密封方法中，将钼箔夹在发光管端部上，对端部进行加热而使其软化。在这种状态下，从上下加压而压接钼箔，对端部进行敛紧压接。
钼箔的刚性低，使从发光管的端部进行压接而产生的应力分散。但是，工作环境为高压时，因钼箔与石英发光管的热膨胀的差异而造成的应力集中达到不能无视的程度，成为高压水银灯降低可靠性的原因。
另外，在高压水银灯上，为了可以将放电电弧作为点光源来利用，故必须缩短电弧距离，例如为2mm以下。因此，必须将发光管内部的一对电极的距离控制为一定值，而且使一对电极的方向相互平行。但是，将钼箔夹在发光管的端部上，从上下对端部进行加压，进行敛紧压接，以将钼箔压接在端部上。这时，因敛紧压接时的压力分布的稍微不均，容易使钼箔倾斜、或使位置偏移。其结果，会使一对电极的距离偏离设计值，或使电极的方向不平行。在这种情况下，放电电弧的形状偏离设计值而产生变化，对发光特性产生影响。
本发明的课题在于提供一种高压水银灯，该高压水银灯具有由石英构成的发光管，工作环境为高压时也可抑制因导电性密封材料和石英发光管的热膨胀的差异引起的应力集中所带来的不良影响，可靠性高。
发明内容
本发明的高压水银灯，其特征在于，该高压水银灯具有由石英构成的发光管、将放在该发光管的电极部件及与电极部件在电气上进行连接、且固定在发光管端部内的导电性密封材料，导电性密封材料由具有金属包覆层或金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒的烧结体构成，烧结体中的金属形成导电性网路结构，烧结体中的金属含量为20体积％以下。
另外，本发明是固定在由石英构成的发光管端部内、高压水银灯用的导电性密封材料，其特征在于，由具有金属包覆层或金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒的烧结体构成，烧结体中的金属形成导电性网络结构，烧结体中的金属含量为20体积％以下。
在本发明的高压水银灯上，石英制的发光管的端部的导电性密封材料使用了特定的金属陶瓷，该金属陶瓷由具有金属包覆层或金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒的烧结体构成，烧结体中的金属形成导电性网络结构。而且，烧结体中的金属含量为20体积％以下。其结果，可以显著减小发光管的热膨胀系数和导电性密封材料的热膨胀系数之差异，在提高发光管的内压的情况下也不会使可靠性降低。
图1(a)是示意性地表示设有金属包覆层或金属化合物包覆层3的二氧化硅颗粒1的断面图，图1(b)示意性地表示构成导电性密封材料的烧结体4的微观结构，图1(c)是表示呈大致圆柱形的导电性密封材料7A的正视图，图1(d)是从端面7a侧看导电性密封材料7A的俯视图。
图2(a)、图2(b)分别是导电性密封材料7B、7C的正视图。
图3(a)、图3(b)是分别表示设有电力供给部件8和电极部件10的导电性密封材料7A、7D的断面图。
图4(a)是表示将导电性密封材料7A插入发光管16的端部18(敛紧压接前)中的状态的断面图，图4(b)是表示在发光管16的端部19中对导电性密封材料7A进行敛紧压接后的状态的断面图。
图5(a)表示图4(a)中的导电性密封材料7A和发光管端部18(敛紧压接前)的位置关系，图5(b)表示图4(b)中的导电性密封材料7A和发光管端部19(敛紧压接后)的位置关系。
图6是表示将导电性密封材料7A分别固定在发光管16的两端部上时的断面图。
图7是表示将导电性密封材料7A分别固定在发光管16的两端部上时的断面图，接合材料22附着在导电性密封材料7A的侧周面7c上。
图8表示将导电性密封材料7A分别固定在发光管16的两端部上时的断面图，在端部19的内周面上设有定位用突起19c。
发明的实施形式以下，对本发明更详细地进行说明。
构成发光管的石英是以石英(SiO2)为主要成分的玻璃。也可以在玻璃内部具有各种结晶相。
本发明中使用的导电性密封材料由具有金属包覆层或金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒的烧结体构成。即，如图1(a)示意性地所示，作为初始原料的二氧化硅颗粒1具有二氧化硅粒子2和包覆二氧化硅粒子2的金属包履层或金属化合物包覆层3。对该二氧化硅颗粒1进行烧结，便可得到如图1(b)所示的烧结体4。即，二氧化硅颗粒1在烧结过程中因相互熔合而形成骨架，与此同时，附着在二氧化硅颗粒1表面上的金属包覆层也相互连接起来。其结果，形成具有以二氧化硅为主要成分的粒子5和结合在粒子5上的粒界相6的烧结体4。粒界相6主要由构成金属包覆层3的金属构成。或者，由构成包覆层3的金属化合物在烧结过程中生成的金属构成。该粒界相6构成整个金属陶瓷的导电性网路结构。
烧结体4的金属含量为20重量％以下。进行该烧结体具有遍及整个金属陶瓷的导电性网路结构6，故即使在金属含量较少的情况下，也可赋予相当低的电阻值。
上述的烧结体结构是在特开昭60-35422号公报中所记载的结构。另外，在特开昭60-35422号公报中公开了将这种烧结体作为高压放电灯的陶瓷放电管的密封材料使用。但是，这是用玻璃熔合方法对陶瓷放电管和密封材料进行密封的，并不涉及高压水银灯。另外，不是将石英发光管的端部敛紧压接在密封材料上，不是解决随之产生的问题的方法。因为陶瓷放电管不可能通过敛紧产生变形，不能进行敛紧压接。
虽然对构成二氧化硅颗粒的金属包覆层的金属没有限定，但可以例示以下的金属及其合金。
W，Mo，W-Mo，W-Ni，Mo-Ni另外，二氧化硅颗粒的包覆层可以是金属化合物。该金属化合物必须进行烧结，以便至少在烧结后生成金属。在优选的实施形式中，金属化合物是金属氧化物。在这种情况下，通过最终进行还原烧成，金属氧化物变成金属。作为这种金属氧化物，可以列举以下的氧化物及其混合物。
WO3，MoO3，WO3-MoO3，WO3-NiO，MoO3-NiO，WO3-MoO3-NiO金属化合物可以是氧化物以外的物质。但是，在这种情况下，在加热过程中一旦变成金属氧化物，接着，必须最终进行还原烧成，使金属氧化物变成金属。作为这类金属化合物，可列举出上述金属的硝酸盐、硫酸盐等无机酸盐和草酸盐等有机酸盐。
对二氧化硅颗粒进行包覆的方法没有限定。但是，最好将金属和金属氧化物的粉末料浆包覆在二氧化硅颗粒上。
使用金属氧化物或金属化合物的包覆层，可具有以下优点。即二氧化硅颗粒的密度低，为2.2g/cc左右。而一般，金属的密度高。例如钨的密度为19.3g/cc。因此，若将二氧化硅颗粒和钨粉末进行混合，则因密度的差异难以均匀地进行混合、包覆。若不能均匀混合，则由于没有附着金属包覆层的二氧化硅颗粒、或附着量少的二氧化硅颗粒增大，故难以使导电性密封材料的电阻值保持一定。而金属氧化物粉末的密度一般比金属粉末的密度小。例如氧化钨的密度约为7.2g/cc，与二氧化硅的密度之差小。其结果，二氧化硅颗粒和金属氧化物粉末可以均匀混合。
在特别优选的实施形式中，在导电性密封材料中，混合二种以上的金属。以下表示合适的金属组合。
W-Ni，Mo-Ni，W-Mo-Ni在特别优选的实施形式中，将第一种金属氧化物的粉末和第二种金属化合物混合。这时，可将金属化合物溶解在溶剂中得到溶液，将该溶液与第一种金属氧化物粉末混合。在这种情况下，即使第二种金属化合物是少量的，也可以与第一种金属化合物均匀混合。
烧结二氧化硅颗粒时的最高温度可根据材质的不同进行选择，没有特别限定。另外，烧结时的氛围可以是大气或惰性气体，但在必须使金属氧化物还原的场合，也可在还原氛围下进行烧成。还原氛围可以列举如下。
N2+H2，Ar+H2在本发明中，将导电性密封材料插入由石英构成的发光管的端部开口中，边对端部加热、边朝向导电性密封件机械性地加压，进行压接。将这种工艺称为敛紧压接。在氧化铝等陶瓷发光管的场合，加热时难以使发光管变形，故不能采用敛紧压接法，一般通过玻璃熔合方法等进行密封。在本发明中，敛紧压接后施加热循环时，导电性密封材料和石英的热膨胀的差异小，故即使提高发光管的内压，也可以保持很高的可靠性。
在优选的实施形式中，构成导电性密封材料的二氧化硅颗粒的热膨胀系数为0.5×10-6℃-1～1.0×10-6℃-1。另外，从减小烧结体和二氧化硅的热膨胀差异这一观点出发，最好将烧结体的金属含量设为20体积％以下，设为12体积％以下更好。
另外，导电性密封材料必须具有适合于向电极部件供给可电弧放电的额定功率的电阻值。因此，从减小上述烧结体的电阻值这一观点出发，最好金属的含量为5体积％以上，为8体积％以上则更好。
除了水银以外，可以将以下物质添加到高压水银灯的发光管内部。
金属卤化物例如NaI，DyI3惰性气体例如氩(Ar)，氙(Xe)，氦(He)对放电用电极和电极保持材料的材质没有限定，但最好为由钨、钼、铌、铼和钽构成的组中选择的纯金属，或者最好为由钨、钼、铌、铼和钽构成的组中选择的二种以上的金属的合金。特别是最好为钨、钼或钨一钼合金。另外，最好为这些纯金属或合金和陶瓷的复合材料。
从提高发光管的亮度这一观点出发，最好，发光管的内压为100大气压以上，为150大气压以上则更好。
在优选的实施形式中，导电性密封材料的形状是以发光管的中心轴为中心的回转体。在这种情况下，在敛紧压接时导电性密封材料不易产生位置偏移。因此，可进一步减小放电电弧形态的偏差。另外，在这种情况下，由于可以通过各向同性敛紧将导电性密封材料固定在端部上，因此，在敛紧压接时可以进一步减小导电性密封材料的位置偏移。
所谓回转体，系指任意形状的平面图形围绕中心轴回转的几何学形态。这包括圆柱形，但不限定于此。包括圆筒体、回转椭圆体、圆锥体、截头圆锥体。
例如图1(c)、图1(d)所示的导电性密封材料7A具有大致圆柱形状。符号7c为侧向圆周面，符号7a、7b为端面。另外，图2(a)所示的导电性密封材料7B由圆柱体7d和圆柱体7e构成，其中圆柱体7d是使宽度相对较大的长方形回转而得到的，圆柱体7e是使直径相对较小的长方形回转而得到的。图2(b)的导电性密封材料7c由使宽度相对较大的长方形回转得到的圆柱体7d、7f和使直径相对较小的长方形回转得到的圆柱体7e构成。圆柱体7e将一对圆柱体7d和7f连接起来。
图3(a)是示意性地表示具有导电性密封材料7A的放电用部件13A的断面图。在图3(a)中，用钎焊材料9将电力供给部件8的前端钎焊在圆柱形导电性密封材料7A的外侧端面7a上。钎焊材为的成分最好为Ni、W-Ni、Mo-Ni、W-Mo-Ni、Ru-Mo、Ru-Mo-B。另外，用钎焊材料9将电极部件10的电极11钎焊在导电性密封材料7A的内侧端面7b上。线圈12卷绕在电极11的前端上构成电极。另外，本例中在电极11的前端上设有线圈12，但线圈12不一定是必须的。
图4(a)是示意性地表示将导电性密封材料7A插入发光管端部时的断面图。本例的发光管16上有发光管主体17和端部18。将导电性密封材料7A插入端部18的内侧开口20内。这时，电极部件10被收放在发光管的内侧空间中。这时，如图5(a)所示，在导电性密封材料7A的侧向周面7c与端部18的内周面18a之间设有间隙21。
然后，对端部18进行加热，使其软化，如图4(b)和图5(b)所示那样施加压力。这时，在本例中，以发光管的中心轴F为中心，对端部18的外周面18b加压，朝着径向将压力施加到导电性密封材料7A的侧向周面7c的全周上。将这种加压称为各向同性加压。这样，如图5(b)所示，端部18产生变形，其结果，端部19的内周面19a压接在导电性密封材料7A的侧向周面7c的全周上。符号19b为端部外周面。在这种状态下，从发光管的中心轴F看时，导电性密封材料是从发光管端部朝着径向A压接在导电性密封材料的全周上的。
如图6所示，在发光管16上有二个端部19。因此，在各端部进行上述处理，这样，必须对发光管16的两端部分别进行密封。其结果，一对电极10分别固定在发光管16的内侧空间24的规定部位，可进行放电。
对发光管的两端部进行密封的顺序没有特别限定。例如，在图6中，可对上侧的端部19密封后，从下侧端部18供给发光物质，填充到内侧空间24中，然后，对下侧的端部19进行密封。另外，可以在发光管主体17上另设发光物质的供给孔。在这种情况下，对图6中的上下两端部19都进行密封后，从发光管主体17的供给孔供给发光物质，填充到内侧空间24中。然后，对发光管主体17的供给孔进行密封。由于该密封部分不需要具有导电性，故可用通常的玻璃工艺进行密封。
另外，在通过还原烧成制造导电性密封材料的情况下，在烧成阶段从导电性密封材料的表面挥发二氧化硅成分，形成微小的凹凸。由于这样微小的凹凸，对发光管端部进行敛紧压接时，构成发光管的石英和导电性密封材料表面的密合性进一步提高，密封的可靠性更好。
在优选的实施形式中，在导电性密封部件的端面上形成有凹部，将电极部件插入凹部，在该凹部内与导电性密封材料进行电气连接。这样，可以使电极部件与导电性密封材料的接合更加可靠，可以减小接合部分的电阻。例如，在图3(b)所示的导电性密封材料7D的外侧端面7a上设有凹部14，将电力供给部件8插入凹部14内。然后，用导电性粘结剂1 5将电力供给部件8和导电性密封材料7D接合起来。另外，在导电性密封材料7D的内侧端面7b上形成有凹部14，将电极11的端部插入凹部14内。在凹部14内，通过导电性粘结剂15将电极11的端部和导电性密封材料7D接合起来。
在优选的实施形式中，在导电性密封材料的侧向周面的规定位置上设有接合材料，用于将导电性密封材料定位在端部上。这样，将导电性密封材为接合在发光管端部上时，可以确定导电性密封材料相对于发光管的相对位置。结果，也可确实地对固定在导电性密封材料上的电极部件进行定位，使放电电孤稳定。
例如，在图7的例子中，将接合材料22粘着在导电性密封材料7A的侧向周面7c的规定部位上。然后，在将导电性密封材料7A收放在发光管端部18内、对端部18加热使其软化并压接在导电性密封材料7A上时，通过接合材料22对导电性密封材料7A进行定位。这是因为从接合材料22到内侧端部7b的距离t保持一定的缘故。通过在发光管的两端部分别对导电性密封材料7A进行定位，电极部件10之间的距离T也保持一定。突起的种类没有限定，但最好为金属陶瓷和钎焊材料。
另外，在优选的实施形式中，在发光管16的端部19的内周面19a上形成有定位突起，用于对导电性密封材料定位。这样，在将导电性密封材料接合在发光管端部上时，可以确定导电性密封材料相对于发光管的相对位置。另外，可以使导电性密封材料的方向也与发光管的中心轴相平行。其结果，固定在导电性密封材料上的电极部件被确实地定位，使放电电弧稳定。
例如在图8的例子中，在发光管16的端部19的内周面19a上形成有对导电性密封材料进行定位用的定位突起19c。将导电性密封材料7A插入端部时，导电性密封材料7A的内侧端面7b与定位用突起19c的卡合面19d抵接。其结果，使导电性密封材料7A的插入深度一定，而且导电性密封材料7A被定位成与发光管的中心轴F相平行。
实施例(实验1)根据参照图1～图6进行说明的方法，制造了如图6所示形式的高压水银灯。具体地说，将聚乙烯醇添加到二氧化硅粉末中，得到二氧化硅颗粒。将硝酸镍的水溶液加入氧化钨粉末中均匀地混合，然后将它包覆在二氧化硅颗粒表面上。将所得到的原料粉末、以0.5～3.0t/cm2的压力进行压力成形，得到圆柱形成形体。将该成形体在大气中以600～800℃的温度进行脱脂，在还原氛围中以1500～1700℃的温度进行烧成，得到由金属陶瓷构成的圆柱形导电性密封材料。导电性密封材料的平均颗粒直径为300μm，钨含量为10容量％，镍含量按重量计为钨的1/100。
在所得到的导电性密封材料的两端面上分别粘着Ru-Mo-B钎料，在1600℃温度下加热10分钟，对电力供给部件和电极部件进行了钎焊。
将水银、氩封入图6所示的石英制的发光管16中，对端部进行加热，进行敛紧压接。在内压约为150大气压状态下保持2000小时。然后，用特斯拉线圈检查了有无发光物质漏泄，没有发现漏泄。导电性密封材料的电阻为70mΩ。
(实验2)与实验1一样地制造高压水银灯。在实验2中，构成导电性密封材料的金属陶瓷的平均颗粒直径为400μm，钨含量为8容量％，镍含量按重量计为钨的3/100。将水银、氩封入发光管16中，对端部进行加热，进行敛紧压接。在内压约为150大气压状态下保持2000小时。然后，用特斯拉线圈检查了有无发光物质漏泄，没有发现漏泄。导电性密封材料的电阻为80mΩ。
如上所述，根据本发明，可以提供一种高压水银灯，该高压水银灯具有由石英构成的发光管，在工作环境为高压时也可抑制因导电性密封材料和石英发光管的热膨胀之差异造成的应力集中而引起的不良影响，可靠性高。
权利要求
1.一种高压水银灯，其特征在于，该高压水银灯具有由石英构成的发光管，收放在该发光管内的电极部件，以及与上述电极部件在电气上进行连接、且通过敛紧压接方法固定在上述发光管端部内的导电性密封材料，上述导电性密封材料由具有金属包覆层或金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒的烧结体构成，上述烧结体中的金属形成导电性网路结构，上述烧结体中的上述金属的含量为20体积％以下。
2.根据权利要求1所述的高压水银灯，其特征在于，上述发光管的内压为100大气压以上。
3.根据权利要求1所述的高压水银灯，其特征在于，上述导电性密封材料的形状为以上述发光管的中心轴为中心的回转体。
4.根据权利要求1所述的高压水银灯，其特征在于，从上述发光管的中心轴看时，上述导电性密封材料是从上述端部朝着径向压接在上述导电性密封材料的全周上。
5.根据权利要求1所述的高压水银灯，其特征在于，上述烧结体是通过对具有上述金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒进行还原烧成而得到的烧结体。
6.根据权利要求5所述的高压水银灯，其特征在于，上述包覆层包括第一种金属的氧化物和第二种金属的硝酸盐。
7.根据权利要求1所述的高压水银灯，其特征在于，上述金属由钨、钼、铼和镍组成的组中选择的一种以上的金属。
8.根据权利要求1所述的高压水银灯，其特征在于，在上述导电性密封材料的侧向周面的规定位置上设有突起，用于确定上述导电性密封材料在相对于上述端部的位置。
9.根据权利要求1所述的高压水银灯，其特征在于，在上述发光管的上述端部的内周面上形成有突起，用于对上述导电性密封材料进行定位。
10.根据权利要求1～9的任一项权利要求所述的高压水银灯，其特征在于，在上述导电性密封材料的端面上形成有凹部，将上述电极部件插入上述凹部，在该凹部内与上述导电性密封材料电气连接。
11.一种高压水银灯用导电性密封材料，固定在由石英构成的发光管的端部内，其特征在于，由具有金属包覆层或金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒的烧结体构成，上述烧结体中的金属形成导电性网路结构，上述烧结体中的上述金属的含量为20体积％以下。
12.根据权利要求11所述的导电性密封材料，其特征在于，上述发光管的内压为100大气压以上。
13.根据权利要求11所述的导电性密封材料，其特征在于，上述导电性密封材料的形状为以上述发光管的中心轴为中心的回转体。
14.根据权利要求13所述的导电性密封材料，其特征在于，该导电性密封材料呈大致圆柱形。
15.根据权利要求11所述的导电性密封材料，其特征在于，上述烧结体是通过对具有上述金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒进行还原烧成而得到的烧结体。
16.根据权利要求15所述的导电性密封材料，其特征在于，上述包覆层包括第一种金属的氧化物和第二种金属的硝酸盐。
17.根据权利要求11所述的导电性密封材料，其特征在于，上述金属是从由钨、钼、铼和镍组成的组中选择的一种以上的金属。
18.根据权利要求11所述的导电性密封材料，其特征在于，在上述导电性密封材料的侧向周面的规定位置上设有突起，用于确定上述导电性密封材料相对于上述端部的位置。
19.根据权利要求11所述的导电性密封材料，其特征在于，收放在上述发光管内的、产生放电电弧用的电极部件是被固定的。
20.根据权利要求19所述的导电性密封材料，其特征在于，在上述导电性密封材料的端面上设有用于插入并固定上述电极部件的凹部。
21.根据权利要求11～20的任一项权利要求所述的导电性密封材料，其特征在于，在上述导电性密封材料的外侧端面上固定着与外部电源连接的导电线部件。
全文摘要
一种高压水银灯，该高压水银灯具有由石英构成的发光管，在工作环境为高压时也可抑制因导电性密封材料和石英发光管的热膨胀之差异造成的应力集中而引起的不良影响，可靠性高。高压水银灯具有由石英构成的发光管(16)，收放在发光管(16)内的电极部件(10)，以及与电极部件(10)在电气上连接、通过敛紧压接而固定在发光管(16)的端部(19)内的导电性密封材料(7A)。密封材料(7A)由具有金属包覆层或金属化合物包覆层的二氧化硅颗粒的烧结体构成。该烧结体中的金属形成导电性网路结构，烧结体中的金属含量为20体积％以下。
文档编号H01J5/32GK1463028SQ0313789
公开日2003年12月24日 申请日期2003年5月29日 优先权日2002年5月29日
发明者新见德一 申请人:日本碍子株式会社