JP2006240987A

JP2006240987A - セラミック製アーク放電容器の製造方法及び該方法によって製造されたセラミック製アーク放電容器

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Publication number: JP2006240987A
Application number: JP2006056413A
Authority: JP
Inventors: Dana L Caldwell; エルカルドウェルダナ; Arlene Hecker; アーレーン　ヘッカー; Stefan Kotter; コッターステファン
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2006-09-14
Also published as: EP1698605A3; EP1698605A2; CN1827558A; CA2530698A1; US20060199041A1; CN100548928C

Abstract

【課題】２種のセラミック製部材であって、特に一方の部材が多結晶アルミナ（ＰＣＡ）セラミックである部材を接合するのにより効率的な方法を提供する。
【解決手段】２種のセラミック製部材を接合にあたり、Ａｌ_２Ｏ_３粉末とＹ（ＮＯ_３）_３溶液とのスラリーを製造し、液体、固体又は気体の形態の該スラリーと２種のセラミック製部材とを接触状態で配置し、かつ該スラリーを、２種のセラミック製部材が互いに接合する温度に加熱する。
【選択図】なし

Description

本発明は、２種のセラミック製部材を互いに結合させる方法、並びに互いに接合された２種のセラミック製部材を含む物品、殊にはアーク放電容器の製造方法及び２種のセラミック製部材が互いに接合されているその容器に関する。

２種のセラミック製部材を互いに接合しうることは、種々の分野において、とりわけ２種のセラミック製部材の少なくとも１種が透明であるか又はほぼ透明であるアーク放電容器の製造において特に所望される技術である。２種のセラミック製部材を互いに接合させるための種々の方法が知られている。

例えば米国特許第６，０１２，３０３号（Ａｘｅｌｓｏｎ他）は、２種の単結晶部品を共晶接合する方法を開示している。前記方法により、一方の単結晶サファイヤ製部品（サファイヤは透明なセラミックである）と、もう一方の単結晶サファイヤ製部品とが接合される。これらの２種の部品は、アルミニウム酸化物粉末とイットリウム酸化物粉末を含むスラリー（又はこれらのゾル）を用いて共に接合される。しかしながら、この混合物の均質性を得て維持することが困難であり、そして粉末の混合に粉砕が必要となり、これにより不純物の導入と費用の増加がおこりうる。２種のサファイヤ製部品は真空炉中で６時間より長く加熱され、そしてその２種の部品に対してそれらを共に保持するために重さが加えられる。冷却のためには更に数時間が必要となる。
米国特許第６，０１２，３０３号

２種のセラミック製部材であって、特に一方の部材が多結晶アルミナ（ＰＣＡ）セラミックである部材を接合するのにより効率的な方法が必要とされており、本発明はこの問題を解決するものである。

本発明の対象は、２種のセラミック製部材を互いに結合する新規方法と、２種のセラミック製部材を含み、その一方の部材が多結晶アルミナから構成され、かつもう一方が単結晶アルミナ（サファイヤ）又は多結晶アルミナから構成されている部材が互いに接合された新規の物品を提供することである。選択的に、セラミック製部材の一方又は両方は、イットリウムアルミニウムガーネットから構成されていてよい。

本発明の更なる対象は、２種のセラミック製部材を接合する新規方法において、Ａｌ_２Ｏ_３粉末とＹ（ＮＯ_３）_３溶液とのスラリーを製造すること、液体、固体又は気体の形態の該スラリーと２種のセラミック製部材とを接触状態で配置すること、及び該スラリーを、２種のセラミック製部材が互いに接合する温度に加熱することを含む方法を提供することである。

殊に、該スラリーは焼成するとＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物を形成し、かつスラリーを加熱する温度はその共晶化合物の共晶温度であり、かつ２種のセラミック製部材の一方は多結晶アルミナから構成され、そしてもう一方は単結晶アルミナ及び多結晶アルミナの１つから構成される。

共晶化合物の加熱は、ＣＯ_２レーザを用いるか又はＲＦ加熱によって実施してよい。

本発明のまた更なる対象は、２種のセラミック製部材を含み、これらがＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物により互いに接合されている新規物品であって、前記２種のセラミック製部材の一方が多結晶アルミナから構成され、そしてもう一方は単結晶アルミナ及び多結晶アルミナの１つから構成される物品を提供することである。

前記対象と更なる対象並びに本発明の利点は、以下の図面及び有利な実施態様の記載を考慮することで、本発明の技術における当業者には明らかとなる。

図１に関して、本発明の一実施態様は、２種のセラミック製部材１２，１４を互いに接合する方法である。該方法は、加熱するとＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物が得られる量でＡｌ_２Ｏ_３及びＹ（ＮＯ_３）_３を含む水系スラリーを製造する工程、該スラリーと、互いに接合されるべき２種のセラミック製部材とを直接的な接触状態で配置する工程、及び該スラリーを、２種のセラミック製部材が互いに接合する温度にまで加熱する工程を含む。

第一の実施態様の方法は、２種のセラミック製部材１２，１４の一方が多結晶アルミナから構成され、そしてもう一方が単結晶アルミナ及び多結晶アルミナの１つから構成される場合に使用することが好ましい。また前記方法は、部材の一方又は両方がイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）から構成される場合にうまくいくと予想される。

該スラリーは、アルミニウム酸化物粉末（Ａｌ_２Ｏ_３）及びイットリウム窒化物前駆物質溶液（Ｙ（ＮＯ_３）_３）の水系混合物であって、焼成後に８０モル％のＡｌ_２Ｏ_３及び２０モル％のＹ_２Ｏ_３の共晶化合物（又はほぼ共晶の化合物）が得られる混合物を製造することによって形成できる。粉砕は必要とされない。

該スラリーは、その方法の特定の適用に適した形態を取ることができる。例えばスラリーは、２種の部材１２と１４の一方（例えばＰＣＡ管）の斜面端部に液体１６として適用し、そして空気中で約３０秒間レーザ（例えばＣＯ_２レーザ）を用いて乾燥させて、Ａｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物を形成することができる。もう一方の部材（例えばサファイヤ管）を、その第一の部材の共晶被覆された斜面端部に積み付け、そしてロッド１８（例えばタングステン）を用いて位置合わせすることができる。次いでその集成体を、レーザにより共晶温度にまで結合領域を加熱しながら旋盤上で回転させることができる。共晶は溶融し、そしてセラミック表面へと流れ、強固な接合を形成する。

またスラリーを固化させてから、それを２種の部材１２，１４の間に配置してもよい。例えば、スラリーを空気中で約１３５０℃にまで素焼きして、Ａｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物のディスク２０を形成させ、これを図２の断面図に示されるように２種の部材１２，１４の間に配置することもできる。そこに図示されているように、第一の部材１２（例えばＰＣＡ管）と第二の部材１４（例えばサファイヤ管）とを接合させるにあたり、それら２種の管の間に固化されたスラリーのディスク２０を配置して、２種の管とディスクとをこれら３種の全ての部材にロッド１８を通すことで位置合わせして、そしてディスク２０の溶融をもたらす温度にまでそのディスクを加熱して、２種の管を共に接合させることができる。

ＲＦ加熱をレーザの代わりに用いて、ディスクを溶融させることもできる。２種の部材１２及び１４とディスク２０の集成体は、該集成体をアルゴン雰囲気下で、ディスクの溶融に十分に高温（＞１７８０℃）であるが、２種の部材の溶融温度未満（例えばＰＣＡの溶融温度である２０５０℃未満）である温度にまでＲＦ加熱することによって結合させることができる。

タングステン元素炉のような他の加熱装置も使用できるが、前記のレーザ法及びＲＦ法が特に好ましい。それというのも、物品の加熱に続く冷却に必要となる時間が相当に、場合によっては分単位にまで短縮されるからである。

また該スラリーを、２種の部材上に、気化されたスラリーの蒸着被覆として堆積させてもよい。

本発明による方法を用いて、多結晶アルミナから構成される第一のセラミック製部材と、単結晶アルミナ及び多結晶アルミナの１つから構成される第二のセラミック製部材とを含み、第一のセラミック製部材と第二のセラミック製部材とがＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物により互いに接合されている物品を製造することができる。２種のセラミック製部材の特定の形状は重要ではなく、前記の記載と図面の管状部材が例である。さらに該方法をセラミック封止工程に適用して、例えば高強度放電ランプに見受けられる慣用のフリットシールと置き換えることができる。該方法によって形成された結合は気密であり、化学薬品の作用に抵抗性であり、そして慣用のフリットよりも高温（例えば＞１７００℃）に耐えうる。

該方法は、アーク放電容器の製造に特に有利である。該容器を完全に焼結させることができ、かつ様々な形状を有してよいが、アーク放電容器の慣用の管形状に制限されるものではない。この適合性により、サファイヤのような透明セラミックに近年可能となった形状より幅広い形状の使用が可能となり、それによりランプ性能の改善とコスト削減がなされる。更に、形状の幅が広くなることで、これらの透明セラミックが従来利用できなかった光学系のような他の分野における用途が可能となる。

前記のＡｘｅｌｓｏｎ他の米国特許に対して、本発明の方法は、多結晶アルミナ製部材を互いに又は単結晶アルミナ部材と接合させる。その接合用混合物は、例えばアルミニウム酸化物粉末（Ａｌ_２Ｏ_３）及びイットリウム窒化物前駆物質（Ｙ（ＮＯ_３）_３）の水系スラリーであって、前記特許に開示される２種の粉末に対してより容易にかつ均質に混和するスラリーである。イットリウム窒化物前駆物質を加熱して酸化物に転化させた後に、粉砕が必要ない。更にＲＦ加熱とレーザ加熱は従来技術の炉より相当迅速である。

本発明の実施態様を前記明細書と図面において説明したが、本発明は明細書と図面の見解からすれば以下の特許請求の範囲によって定義されるものであると解されるべきである。

図１は、本発明の方法によって液状のスラリーを用いて接合されるべき２種の部材を図式化したものである図２は、本発明の方法によってＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物の固形ディスクを用いて接合されるべき２種の部材の断面図である

符号の説明

１２，１４部材、１６液体、１８ロッド、２０ディスク

Claims

２種のセラミック製部材を互いに接合させる方法において、
焼成するとＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物が得られる量でＡｌ_２Ｏ_３及びＹ（ＮＯ_３）_３を含む水系スラリーを製造する工程、
該スラリーと、互いに接合されるべき２種のセラミック製部材であって、その２種のセラミック製部材の一方が多結晶アルミナから構成され、かつもう一方が単結晶アルミナ及び多結晶アルミナの１つから構成されている部材とを直接的な接触状態で配置する工程、及び
該スラリーを、２種のセラミック製部材が互いに接合する温度にまで加熱する工程
を含む方法。
２種のセラミック製部材の一方が多結晶アルミナから構成され、かつもう一方が単結晶アルミナから構成されている、請求項１記載の方法。
水系スラリーが、Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＹ（ＮＯ_３）_３溶液から製造される、請求項１記載の方法。
加熱工程が、レーザ光線によるスラリーの加熱工程を含む、請求項１記載の方法。
レーザ光線がＣＯ_２レーザによって形成される、請求項４記載の方法。
配置工程前にスラリーを固化させる、請求項１記載の方法。
スラリーがディスクであり、これを２種のセラミック製部材の間に配置する、請求項１記載の方法。
加熱工程が、ＲＦエネルギーによるディスクの溶融工程を含む、請求項１記載の方法。
配置工程が、スラリーを液体形で２種の部材の少なくとも一方に適用する工程を含む、請求項１記載の方法。
配置工程が、スラリーから蒸気を形成させ、かつ２種の部材の少なくとも一方にその気化されたスラリーの被覆を堆積させる、請求項１記載の方法。
２種のセラミック製部材を互いに接合させる方法において、
Ａｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物と、互いに接合されるべき２種のセラミック製部材であって、２種のセラミック製部材の一方が多結晶アルミナから構成され、かつもう一方が単結晶アルミナ及び多結晶アルミナの１つから構成される部材とを直接的な接触状態で配置する工程、及び
該共晶化合物を、共晶化合物を溶融させて２種のセラミック製部材を互いに接合させる温度にまで加熱する工程
を含む方法。
２種のセラミック製部材の一方が多結晶アルミナから構成され、かつもう一方が単結晶アルミナから構成されている、請求項１１記載の方法。
加熱工程が、レーザ光線による化合物の加熱工程を含む、請求項１２記載の方法。
更に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＹ（ＮＯ_３）_３溶液から水系スラリーを製造し、そして該スラリーを焼成させて、共晶化合物を得ることで共晶化合物を製造する工程を含む、請求項１２記載の方法。
焼成工程により、共晶化合物を含有する固体が得られ、かつ配置工程が、加熱工程前に該固体と２種のセラミック製部材とを直接的な接触状態で配置することを含む、請求項１４記載の方法。
更に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＹ（ＮＯ_３）_３溶液から水系スラリーを製造することによって共晶化合物を製造する工程を含み、かつ配置工程が、該スラリーを気化させることと、その気化されたスラリーの被覆を２種の部材の少なくとも一方に蒸着させることを含む、請求項１２記載の方法。
更に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＹ（ＮＯ_３）_３溶液から水系スラリーを製造することによって共晶化合物を製造する工程を含み、かつ配置工程が、該スラリーを液体形で２種のセラミック製部材の少なくとも一方に適用する工程を含む、請求項１２記載の方法。
多結晶アルミナから構成される第一のセラミック製部材と、単結晶アルミナ及び多結晶アルミナの１つから構成される第二のセラミック製部材とを含み、第一のセラミック製部材と第二のセラミック製部材とがＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物により互いに接合されている物品。
２種のセラミック製部材の一方が多結晶アルミナから構成され、かつもう一方が単結晶アルミナから構成されている、請求項１８記載の物品。
２種のセラミック製部材を互いに接合させる方法において、
Ａｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物と、互いに接合されるべき２種のセラミック製部材であって、２種のセラミック製部材の一方がイットリウムアルミニウムガーネットから構成され、かつもう一方が単結晶アルミナ、イットリウムアルミニウムガーネット及び多結晶アルミナの１つから構成される部材とを直接的な接触状態で配置する工程、及び
該共晶化合物を、共晶化合物を溶融させ、２種のセラミック製部材を互いに接合させる温度にまで加熱する工程
を含む方法。
イットリウムアルミニウムガーネットから構成される第一のセラミック製部材と、単結晶アルミナ、イットリウムアルミニウムガーネット及び多結晶アルミナの１つから構成される第二のセラミック製部材とを含み、第一のセラミック製部材と第二のセラミック製部材とがＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３の共晶化合物により互いに接合されている物品。