JP2001519969A - サファイアｃｍｈランプのモノリシックシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サファイア（単結晶アルミナ）製発光管と多結晶質アルミナ製エンドキャップの間にモノリシックシールを有するセラミックメタルハライド（ＣＭＨ）放電ランプの製造方法。この方法は、十分に緻密なサファイアの発光管を準備する段階と、未焼結の多結晶質アルミナ圧粉体でできたエンドキャップを準備する段階を含む。エンドキャップが予備焼結され有機結合剤が除去されるまで、焼結温度よりも低い温度でエンドキャップを加熱する。予備焼結エンドキャップを発光管の末端部に配置してそれらの間に界面を形成する。このように集成した予備焼結エンドキャップと発光管を、次いで、エンドキャップが管上で焼結して管のサファイア結晶がエンドキャップ中へと成長する焼結温度に加熱する。サファイア管が多結晶質アルミナエンドキャップ中へと成長すると、エンドキャップと発光管の間の以前の界面にモノリシックシールが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 サファイアＣＭＨランプのモノリシックシール 発明の背景 本発明は、一般に高圧放電ランプ用発光管の封止に関するものであり、具体的 には高圧放電ランプ用サファイア製発光管の封止に関する。 セラミック‐メタルハライド（ＣＭＨ）ランプのような高圧放電ランプは透明 又は半透明のセラミック発光管を利用するのが普通である。セラミック発光菅は 高い耐食性と高温性能と高い光透過性を有しているべきである。セラミック発光 管の両端はプラグやキャップのようなセラミック端部アセンブリで閉じて封止さ れる。端部アセンブリはモリブデン又はタングステンでできた放電極も支持して いる。電極は端部アセンブリを貫通して延在しており、ハーメチックシールされ ている。電極に電流が印加されると発光管内部の電極間でアーク放電が生じる。 メタルハライド発光管は多結晶質アルミナで構成することができ、慣用の石英 メタルハライド発光管材料よりも耐薬品性に優れていて実用作動温度が高い。多 結晶質アルミナが現在の商取引慣行における好ましい発光管材料である。多結晶 質アルミナ発光管は一般に多結晶質の端部プラグで封止される。 ランプ性能をさらに一段と向上させるために、発光管材料として多結晶質アル ミナの代わりにサファイア（単結晶アルミナ）を用いることが提案されている。 性能の向上は、主として、多結晶質アルミナに比べサファイアの透過性が高いこ とによる。 しかし、サファイア（単結晶アルミナ）発光管を製造するに当たって問題とな るのは発光管の端部の封止である。石英及び多結晶質発光管の慣用封止法は満足 のいくものではなかった。サファイアは結晶配向が異なると熱膨張率が異なる。 そのため、サファイア発光管の結晶配向を、その熱膨張率がプラグ又はキャップ の熱膨張率と膨張及び／又は収縮の最も大きい方向でよく調和するように正確に 配向させなければならない。サファイア管の結晶配向がこのように正確に配向さ れていないと、温度の急激な変化でサファイア発光管が割れるおそれがある。し たがって、当技術分野には端部アセンブリをサファイア発光管に接合するための 改良方法に対するニーズが存在する。 発明の概要 本発明は、セラミック‐メタルハライド放電ランプ用の管アセンブリの製造方 法を提供する。この方法には、サファイアすなわち単結晶アルミナ製の管を準備 する段階と、未焼結多結晶質アルミナ製エンドキャップを準備する段階が含まれ る。エンドキャップが予備焼結され結合剤が除去されるまでエンドキャップを加 熱する。予備焼結エンドキャップを次いで管の末端部に配置してそれらの間に界 面を生じさせる。エンドキャップが管上で焼結して管のサファイア結晶がエンド キャップ中へと成長してエンドキャップと管の界面でモノリシックシールが形成 されるまで、予備焼結エンドキャップと管を加熱する。 図面の簡単な説明 本発明の上記その他の特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の説明を参照 することで明らかとなろう。 図１は、本発明による焼成前の、サファイア発光管とセラミックエンドキャッ プを有するランプアセンブリの一端の側面断面図である。 図２は、図１と同様の側面断面図であるが、ただし、焼成して発光管とエンド キャップの間にモノリシックシールを形成した後のものである。 図３は、本発明の第二の実施形態による焼成前の、サファイア発光管とセラミ ックエンドキャップを有するランプアセンブリの一端の側面断面図である。 図４は、図３と同様の側面断面図であるが、ただし焼成して発光管とエンドキ ャップの間にモノリシックシールを形成した後のものである。 好ましい実施形態の詳細な説明 図１に、本発明によるセラミックメタルハライド（ＣＭＨ）ランプアセンブリ １０の一端を示す。なお、ランプアセンブリ１０の両端は同一又は実質上類似の ものであり、そのため本明細書中ではランプアセンブリ１０の一方の端部のみを 詳細に示しかつ説明する。ランプアセンブリ１０は、透明な高圧エンベロープも しくは発光管１２と、発光管１２の開放端を封止するエンドブッシング又はキャ ップ１４と、エンドキャップ１４を貫通して延在しかつキャップで支持される電 極アセンブリ１６とを含んでおり、電極アセンブリ１６に電流が印加されると封 止発光管１２内部でアークが形成される。 透明な発光管１２は十分に緻密なサファイア（単結晶アルミナ）で形成される 。発光管はどんな好適な方法で製造してもよい。サファイア発光管の好適な製造 方法については、例えば、米国特許第５４２７０５１号、同第５４５１５５３号 、同第５４８７３５３号、同第５５８８９９２号及び同第５６８３９４９号を参 照されたい。これらの米国特許の開示内容は文献の援用によってすべて本明細書 に取り込まれる。 発光管１２は、環形端面１７、円筒形の外面１８と内面２０を有する管状形で ある。壁の厚さは任意の好適な大きさものでよい。 エンドキャップ１４は、未焼結すなわち「素地状態」にある好適な多結晶質セ ラミック材料、好ましくは多結晶質アルミナから形成される。エンドキャップ１ ４は最も好ましくは多結晶質アルミナ粉末と共に約０．０２〜約０．２重量％の ＭｇＯを含む。 エンドキャップ１４は、好ましくはセラミック微粉末の混合物を所望の形状に コールドダイプレスすることによって形成されるが、その形状については以下で 詳細に説明する。ただし、別法として、エンドキャップ１４は、セラミック粉末 を圧縮して圧粉体もしくはブロックとしてこのブロックを所望の形状に機械加工 することによって形成することもできるし、射出成形或いはその他好適な方法に よって形成することもできる。 各エンドキャップ１４は、円盤形の主壁２２と、円筒形のスカート又はフラン ジ２４と、管状形の延長部２６を有している。主壁２２は、発光管１２の端面に 面した平坦な内面２８と、発光管１２の端面とは反対側の平坦な外面３０とを有 している。 フランジ２４は、主壁２２の外縁から発光管１２に向かって軸方向内側に延在 している。主壁２２とフランジ２４は協同して発光管１２の末端部を収容するた めのカップ又はソケットを形成している。フランジ２４は円筒形の内面３２を有 しており、内面３２は以下でさらに詳しく説明する通り発光管１２の外面１８と 十分なモノリシックシールを形成する大きさの直径を有している。フランジ内面 ３２の長さは、以下でさらに詳しく説明する通りエンドキャップ１４と発光管１ ２の間で十分な封止領域が得られるような大きさとされる。 延長部２６は主壁２２の外面３０から軸方向外側に延在しており、主壁２２の 略中心に位置している。延長部２６と主壁２２は協同してエンドキャップ１４を 貫通して軸方向に延びる開口又は穴３４を形成している。開口３４は、以下でさ らに詳しく説明する通り電極アセンブリ１６とエンドキャップ１４の間で十分な ハーメチックシールが形成されるような大きさ及び形状にされる。好ましくは、 開口３４は円筒形である。延長部２６の長さは、電極アセンブリ１６を十分に支 持するとともにエンドキャップ１４と電極アセンブリ１６の間に十分な封止領域 が得られるような大きさとされる。 電極アセンブリ１６は略真っ直ぐな支持体３６と支持体３６の内側端に固定さ れたコイル３８とを有する標準的な構成のものである。支持体３６及びコイル３ ８は各々モリブデンやタングステンのような高温導電性金属から作られる。 「素地」エンドキャップ１４をまず予備焼成又は予備焼結温度に加熱して有機 物又は結合剤を除去するとともに素地強度を増大させる。予備焼成温度は焼結温 度に比べてかなり低い。好ましくは、予備焼成温度は約９００℃〜約１１００℃ の範囲である。予備焼成は好ましくは空気中で行なわれるが、別法として有機物 を焼き去るのに好適な他の酸化性雰囲気とすることもできる。 予備焼結エンドキャップ１４が冷えたら、これを発光管１２の端部にかぶせて 、発光管１２の端面１７をエンドキャップの主壁２２の内面２８と係合させると ともに発光管１２の外面１８をエンドキャップのフランジ２４の内面３２と係合 させる。エンドキャップ１４はかくして発光管１２の開放端部を閉じる。 図２に最もはっきりと示されている通り、発光管１２とエンドキャップ１４の 間にモノリシックシールが生じる焼結及び／又は結晶成長温度に発光管１２とエ ンドキャップ１４を加熱する。好ましくは、焼結温度は約１８００℃〜約１９０ ０℃の範囲である。焼結は好ましくは水素中で実施されるが、別法として真空、 ヘリウムその他の好適な還元雰囲気中でも実施できる。モノリシックシールは以 前の界面、すなわち発光管端面１７とエンドキャップ内面２８の間の第一の界面 ４０と、エンドキャッブ内面３２と発光管外面１８の間の第二の界面との双方で 生じる。 エンドキャップ１４は「素地」であるので、焼結温度に加熱されると収縮する。 サファイア製発光管１２は完全に緻密であるので、焼結温度に加熱されても収縮 して大きさが縮むことはない。発光管１２とエンドキャップ１４は、好ましくは 、エンドキャップ１４の収縮によって焼結後のエンドキャップ１４の内径が発光 管１２の外径よりも約３％〜約７％小さくなるような寸法とされる。エンドキャ ップ１４の収縮によって応力が生じるが、かかる応力は著しい結晶粒成長プロセ スを助長するのでモノリシックシールの形成を進める。発光管１２のサファイア (単結晶アルミナ)は多結晶質エンドキャップ１４中へと成長してモノリシックシ ールを形成する。焼結温度で熱処理を続けると、エンドキャップ１４の当初収縮 のため界面に生じた応力がアニーリングにより除かれる。 図２において、破線は発光管１２とエンドキャップ１４の間の以前の界面４０ ，４２を示す。ただし、もはや部材１２と１４の間に不連続性は存在せず、モノ リシックシールは以前の界面を越えて完全に連続していると理解される。また、 粒界を有する多結晶質領域と粒界のないサフアィア領域の間には、正確には以前 の界面とは違う位置に視認し得る境界があるものと理解すべきである。かかる境 界は米国特許第５４５１５５３号（その開示内容は文献の援用によってすべて本 明細書に取り込まれる）の図２に示されている。 エンドキャップ１４には、例えばガリウムやクロムのような境界移動促進材料 をドープすることができる。かかるドーパントは、界面における細孔の除去を促 すとともに、サファイア（単結晶アルミナ）の多結晶質アルミナ中への成長を促 す。別法として、部材１２と１４の界面領域に上記境界促進材料を塗布すること もできる。 電極アセンブリ１６は慣用シーラントとフリットでコートして、開口中に挿入 する。次にアセンブリ１６を再焼成して、公知のようにシーラントを融着させて セラミックエンドキャップ１４と金属電極アセンブリ１６の間にハーメチックシ ールを生じさせる。 図３に、本発明の第二の実施形態によるセラミックメタルハライド（ＣＭＨ） ランプアセンブリ４４の一端を示すが、類似の構造には同様の参照番号を付して ある。ランプアセンブリ４４は、エンドキャップ１４がフランジ２４（図１）で はなく環状の溝４６を有していることを除き、図１について説明したランプアセ ンブリ１０と同様である。 溝４６は主壁２２内で主壁２２の内面２８から軸方向外側に向かって延在して いる。溝４６はその中に発光管１２の末端部を収容するためのシート又はソケッ トを形成する。溝４６は、環状の底面４８と円筒形の外面５０と円筒形の内面５ ２とで構成される。外面５０は発光管１２の外面１８と十分なモノリシックシー ルを形成するような大きさの直径を有しており、内面５２は発光管１２の内面２ ０と十分なモノリシックシールを形成するような大きさの直径を有している。溝 ４６の軸方向長さすなわち深さはエンドキャップ１４と発光管１２の間に十分な 封止領域を与えるような大きさとされる。 第一の実施形態について説明した通りエンドキャップ１４を予備焼結したら、 エンドキャップ１４を発光管１２の端部にかぶせて、発光管１２の端面１７をエ ンドキャップの溝４６の底面４８と係合させ、発光管１２の外面１８をエンドキ ャップの溝４６の外面５０と係合させ、発光管１２の内面２０をエンドキャップ の溝４６の内面５２と係合させる。 図４に最もはっきりと示されている通り、焼結によって発光管１２とエンドキ ャップ１４の間にモノリシックシールができる。モノリシックシールはすべての 界面でできるわけではない。モノリシックシールは、発光管の端面１７と溝の底 面２８の間の第一の界面４０並びに発光管の外面１８と溝の外面５０の間の第二 の界面４２で生じるが、発光管の内面２０と溝の内面５２の間では形成されない 。焼結段階での「素地」エンドキャップ１４の収縮のため、溝の内面５２が発光 管の内面２０から離れて発光管の内面２０と溝の内面５２の間に環状の間隙又は 空間が生まれる。この間隙は、好ましくは、発光管１２に対するエンドキャップ １４をさらに封止すべく好適なガラス相材料５４で充填される。 本発明の特定の実施形態を詳しく説明してきたが、本発明の技術的範囲はそれ に限定されることはなく、添付の請求の範囲の精神及び用語に属するあらゆる変 更及び修正を包含するものと理解されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 高圧放電ランプ用の管アセンブリの製造方法であって、当該方法が、 サファイア製の管を準備する段階、 未焼結多結晶質アルミナ製のエンドキャップを準備する段階、 上記エンドキャップが予備焼結されて結合剤が除去されるまで上記エンドキャ ップを加熱する段階、 上記予備焼結エンドキャップを管の末端部に配置してそれらの間に界面を生じ させる段階、 エンドキャップが管上で焼結して管のサファイア結晶がエンドキャップ中へと 成長してエンドキャップと管の間の以前の界面においてモノリシックシールが形 成されるまで予備焼結エンドキャップと管を加熱する段階、 を含んでなる、方法。 ２． 前記エンドキャップと管を加熱する段階が、エンドキャップの内径を管 の外径よりも小さい寸法に収縮させることを含む、請求項１記載の方法。 ３． 前記エンドキャップの内径を管の外径よりも約３〜約７％小さい寸法に 収縮させる、請求項２記載の方法。 ４． 前記エンドキャップを準備する段階が、円盤形の主壁及び主壁の外縁か ら軸方向に延在するフランジを形成することを含んでおり、前記予備焼結エンド キャップと管を加熱する段階が、エンドキャップのフランジの内面と管の外面の 間の界面にモノリシックシールを形成させることを含む、請求項１記載の方法。 ５． 前記予備焼結エンドキャップを管の末端部に配置する段階が、管の端面 をエンドキャップの主壁の内面と係合させることを含む、請求項４記載の方法。 ６． 前記予備焼結エンドキャップと管を加熱する段階が、エンドキャップの 主壁の内面と管の端面の間の界面にモノリシックシールを形成させることを含む 、請求項５記載の方法。 ７． 前記エンドキャップを準備する段階が、円盤形の主壁及び主壁の側部か ら軸方向に延在する環状の溝を形成することを含む、請求項１記載の方法。 ８． 前記予備焼結エンドキャップと管を加熱する段階が、エンドキャップの フランジの外面と管の外面の間の界面にモノリシックシールを形成させることを 含む、請求項７記載の方法。 ９． 前記予備焼結エンドキャップを管の末端部に配置する段階が、管の端面 をエンドキャップの溝の底面と係合させることを含む、請求項８記載の方法。 １０． 前記予備焼結エンドキャップ及び管を加熱する段階が、エンドキャッ プの溝の底面と管の端面の間の界面にモノリシックシールを形成することを含む 、請求項９記載の方法。 １１． 前記予備焼結エンドキャップと管を加熱する段階が、エンドキャップ の溝の内面と管の内面の間の界面に環状の間隙を形成させることを含む、請求項 ８記載の方法。 １２． 前記間隙をガラス相材料で充填して発光管に対してエンドキャップを さらに封止することをさらに含んでなる、請求項１１記載の方法。 １３． 管にエンドキャップが十分に焼結した後、界面における当初の応力が 除去されるまでエンドキャップと管を加熱し続ける段階をさらに含んでなる、請 求項１記載の方法。 １４． 前記エンドキャップを準備する段階が、円盤形の主壁、主壁の側部か ら軸方向に延在する管状形の延長部、及び主壁と延長部を貫通して軸方向に延び る開口を形成することを含む、請求項１記載の方法。 １５． エンドキャップに境界促進材料をドープする段階をさらに含んでなる 、請求項１記載の方法。 １６． 前記境界促進材料をガリウム及びクロムの群から選択する段階をさら に含んでなる、請求項１５記載の方法。 １７． エンドキャップ及び管の少なくとも一方をその界面において境界促進 材料でコートする段階をさらに含んでなる、請求項１記載の方法。 １８． 前記境界促進材料をガリウム及びクロムの群から選択する段階をさら に含んでなる、請求項１７記載の方法。 １９． 請求項１記載の方法によって製造される高圧放電ランプ。 ２０． 請求項１記載の方法によって製造されるセラミックメタルハライド放 電ランプ。