(57)【要約】【課題】単一要素形の発光管を形成する方法が提供される。【解決手段】該方法は、セラミック形成法と組合されたロストフォーム法の使用を含む。まず、ポリマー材料（２０）が、内部寸法を定めるように形成される。外部寸法は外型（４０）を用いて設定され、その後、型を懸濁液で満たし、該懸濁液を硬化させる。外型が除去され、部品は脱バインダ処理されて内側の発泡体型が溶融して除去され、その後焼結されて実質的に透明なセラミック発光管（７０）を形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック製メタルハライドランプ用の単一要素形の発光管（７０）を形成する方法であって、
前記発光管の所望の内部寸法に一致する外部形態を有する内型（２０）を準備する段階と、
前記内型のまわりに外型（４０）を設け、それらの間にキャビティ（５０）を形成する段階と、
前記キャビティを懸濁液（６０）で満たし、該懸濁液を引続き硬化させる段階と、
前記内型及び外型を除去する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記除去する段階が、前記硬化した懸濁液を脱バインダ処理する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記内型を準備する段階が、該内型に対してグラファイト材料を使用する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記内型を準備する段階が、該内型に対してグラファイト／ポリマー複合材料を使用する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記内型を準備する段階が、該内型に対して非ポリマー性低分子量固体材料の使用を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記内型を準備する段階が、該内型に対して金属材料を使用する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記内型を準備する段階が、該内型に対してビスマス基合金材料を使用する段階を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記内型を準備する段階が、該内型に対して約１００℃より低い融点を有するビスマス基合金材料を使用する段階を含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記内型を準備する段階が、ほぼ楕円状の形態を有する本体（２６）から延びる第１及び第２の脚部（２２、２４）を含むように該内型（２０）を成形する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記外型を設ける段階が、該外型に対して、対をなす外型構成要素を使用する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記キャビティを満たす段階が、前記キャビティ内へ酸化物懸濁液（６０）を導入する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記除去する段階の前に、前記懸濁液を硬化させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
脱バインダ処理する段階と次いで予備焼結する段階とを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記予備焼結する段階及び前記脱バインダ処理する段階が、前記外型を除去する段階の後に行われることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記予備焼結する段階及び前記脱バインダ処理する段階の後に、前記硬化した懸濁液を焼結する更なる段階を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記内型を除去する段階の前に、前記外側の懸濁液を脱バインダ処理する段階と、次いで前記硬化した懸濁液を予備焼結する段階とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記外側の懸濁液を脱バインダ処理する段階の前に、前記内型を除去する段階と、次いで前記硬化した懸濁液を予備焼結する段階とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記内型を除去する段階が、前記硬化した懸濁液から前記内型を分解させる段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記キャビティを満たす段階が、セラミック材料／バインダをキャビティ内に射出成形する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
セラミック発光管であって、
発光管の所望の内部寸法に一致する外部形態を有する、炭素質材料で形成された内側コア（２０）を準備する段階と、
前記コアのまわりにアルミナ懸濁液をゲルキャスティングする段階と、
前記アルミナ懸濁液を脱バインダ処理する段階と、
前記内側コアを高温で分解する段階と、
前記発光管を焼結する段階と、
含む工程によって形成される、
ことを特徴とするセラミック発光管。
【請求項２１】
前記焼結する段階の前に前記アルミナ懸濁液を予備焼結する更なる段階を含むことを特徴とする、請求項２０に記載のセラミック発光管。
【請求項２２】
前記内側コアを分解する段階が、前記脱バインダ処理する段階に引続いて行われることを特徴とする、請求項２０に記載のセラミック発光管。
【請求項２３】
前記内側コアを分解する段階が、前記脱バインダ処理する段階の前に行われることを特徴とする、請求項２０に記載のセラミック発光管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０００年１２月１９日に出願された米国特許仮出願番号第６０／２５６，６５５号による優先権を主張する。
【０００２】
本発明はセラミック部品及びその形成方法に関し、より具体的には、セラミック製メタルハライド（ＣＭＨ）ランプに使用されるセラミック発光管に関する。
【背景技術】
【０００３】
放電ランプは、ハロゲン化金属と水銀との混合物のような封入材料を、２つの電極間を通るアークを用いてイオン化することによって光を発生させる。電極及び封入材料は、励起された封入材料の圧力を保持しかつ放射光を通過させることができる、半透明又は透明な放電チャンバすなわち発光管内部に封入される。「ドーズ」として知られている封入材料は、電気アークで励起されるのに対応して、所望のスペクトルエネルギ分布を放射する。例えば、ハロゲン化物は、光特性の広範な選択を可能にするスペクトルエネルギ分布を形成する。
【０００４】
セラミック放電ランプのチャンバは、色温度、演色性、及び発光効率を改善するためにより高い温度すなわち９５０℃を超える温度で作動し、同時に封入材料との反応を著しく減少させるように開発されてきた。通常、セラミック放電チャンバは、セラミック粉末から押出し法又はダイプレス法で得られた多数の構成部品から構成される。本出願人が所有する、係属中の出願である１９９８年４月２８に出願された米国特許出願番号第０９／０６７，８１６号及び１９９９年２月１６日に出願された米国特許出願番号第０９／２５０，６３４号には、放電チャンバを形成するのに使用される接合部の数をできるだけ少なくした、従来型のセラミック放電チャンバの１つの形式が記載されている。例えば、従来の手法では５つの構成部品の構成が用いられ、これら構成部品には、両端が第１及び第２のエンドプラグで実質的に閉じられた中央円筒形部材が含まれる。分離された第１及び第２の脚部が、それぞれのエンドプラグに別々に接合されていた。引用した出願は、放電チャンバを形成するために２つの構成部品のような少ない構成部品数を用いる組立物に関する。本出願人が所有する、係属中の出願である１９９９年１２月２３日に出願された米国特許出願番号第０９／４７１，５５１号は、１つの本体構成部品内に脚部を一体形成することによって、アークチャンバ内の構成部品数を制限している。レンズが他の本体構成部品に一体化されて、チャンバからの放射を妨害する脚部がないので光束分布が増大する。
【０００５】
引用した係属中の出願に記載されるように、発光管における構成部品の数と、同様に接合部の数とを制限することにより、所望の効率と製造コストの低減とがもたらされる。このように、製造工程及び構成部品を排除すること、並びにより高いランプ効率を伴う伝導性及び放射性熱損失の改善を達成することは、全て望ましい特性である。同様に、アークギャップ長さのより良好な制御を達成することにより、ちらつきのない作動、より信頼性のある起動、より安定した作動、及びランプ効率と発色性能の向上がもたらされる。
【特許文献１】
米国特許出願番号第０９／０６７，８１６号（１９９８年４月２８出願）
【特許文献２】
米国特許出願番号第０９／２５０，６３４号（１９９９年２月１６日出願）
【特許文献３】
米国特許出願番号第０９／４７１，５５１号（１９９９年１２月２３日出願）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの方法及び製造工程を使用して、発光管の外部すなわち外側表面の形状を効果的に制御しているが、次世代の放電ランプであると認められるために必要な内部寸法には十分に対処していない。そのようなランプは、より複雑な形状及び形態を有すると考えられ、それらの形状に対応するためにはより高度な製造技術が要求されることになる。従って、ＣＭＨランプにおける構成部品数の減少については著しい進歩がなされてきているが、複雑な形状を形成する能力はまだ改善されていない。従って、とりわけ発光管の内部形態についての高い制御性を有する、複雑な単一要素形の発光管を形成する方法を開発することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、単一要素形の発光管を形成するための方法に関する。まず、好ましくは炭素質型で形成された内型がつくられ、この内型は発光管の所望の内部寸法を定める外部輪郭を有する。これに代えて、内型は金属製としてもよい。次いで、発光管の外部寸法が、該内型のまわりに受けられた外部型すなわち外型を用いて設定され、続いて、懸濁液で外型が満たされ、該懸濁液はその後硬化することになる。最後に外型が除去され、部品が脱バインダ処理されて内型が除去される。
【０００８】
本発明の１つの利点は、複雑な単一要素形の発光管を形成できることである。
【０００９】
本発明のもう１つの利点は、セラミック発光管の内部形状のより優れた制御が達成できることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、単一要素形の複雑なセラミック発光管の形成方法に関し、以下ではこのセラミック発光管は「発光管」と呼ぶ。本発明の発光管は、「ロストフォーム法」とセラミック形成法との独特の組合せによって形成される。
【００１１】
図１に示すように、内型２０が製作される。この型は多孔質のポリマー材料であるのが好ましいが、本発明は、型を作るために使用される特定の材料に限定されるべきではない。例えば、型は、グラファイト、グラファイト／ポリマー複合材、又はポリマーではない他の低分子量固体とすることができる。更に、この型は、例えば、約１００℃より低い融点を有するビスマス基合金のような、金属製とすることもできる。内型２０は、全く又は顕著に残渣を残すことなく、容易に燃焼させることができるか又は溶融させることができ、しかも従来型のパターン材料よりもずっと迅速に成形されることができるような適切な材料で製作される。この型は、従来の手動又は機械成形による最も所望の形態を採用することができ、より便宜的には、簡単な接着接合、ジベル接合、又はワイヤ接合によって容易に互いに固定される幾つかの別々の構成要素から製作されることができる。内型２０は、ポリスチレン又はポリエチレンのような、比較的安価な発泡プラスチックで製作されることが好ましい。ロストフォーム法に有用であるとして当該技術で公知であるいずれの発泡体も本発明で考慮されている。
【００１２】
内型は、第１及び第２の脚部２２、２４がほぼ楕円形状を有する中央本体２６から延びている全体形状を有する。好ましい実施形態において、内型の脚部は、内端部が中央本体部分に挿入された中実ピンによって形成される。ピン／脚部は、以下で説明する内型除去の段階の一部として中央本体から機械的に除去される。若しくは、脚部は中央本体と一体形成され、従って内型２０の残りの部分と同様な方法で除去される。しかしながら、本体及び脚部の構成は、本発明によってもたらされる利点を考慮した様々な形態を採用できることが理解されるであろう。
【００１３】
内型が完成した後に、該内型は外部型すなわち外型４０の内部に配置される（図２）。この外型は、ゲルキャスティング、凝集キャスティング、又は射出成形のような従来の発光管形成に使用される外型と同様である。この外型４０は、発光管の外部の外側表面形状を制御するために使用される。好ましくは、外型４０は、第１及び第２の半割体のような複数の対をなす構成要素から形成され、それら対をなす構成要素は、内型を挿入するために選択的に開かれる。さらに、外型４０は、中空の第１及び第２の脚部４２、４４の全体構成をとり、これら脚部は、内型のそれぞれの脚部２２、２４を覆って受けられるような寸法とされる。同様に、中央部分４６は、内型の本体２６の周囲に間隔をおいた関係に受けられる。このようにして、外型の対をなす構成要素が内型のまわりで閉じられると、キャビティ５０が内型２０と外型４０との間に形成される。
【００１４】
外型４０と内型２０との両方が形成され組合わされた後に、図３に示すように、それらの間に酸化物懸濁液６０が導入される。酸化物懸濁液６０は、外型内に、ゲルキャスティングなどで注込され或いは射出成形により射出されるのが好ましい。懸濁液６０はキャビティを満たし、内型の外部輪郭及び外型の内部輪郭にそれぞれ適合する。懸濁液６０は、ゾルゲル及び射出成形の技術における公知の方法によって固化又は硬化される。続いて、外型４０が、図４に表されているように除去される。
【００１５】
外型が除去されたのち、セラミック発光管７０及び内型２０は脱バインダ処理され予備焼結される。この処理段階は、溶融あるいは分解による内型２０の除去に役立つ（図４と図５とを比較せよ）。内型及び全ての他の有機材料及び加工助材が、内部から都合よく除去される。新しく形成された発光管７０及び内型２０は、空気中で、４〜８時間かけて室温から約９００〜１１００℃の最高温度まで昇温され、次いで該最高温度に約１〜５時間保たれた後に引続き冷却されて、脱バインダ処理されかつ予備焼結される。理解されるように、発光管７０は、中央本体７６の両端から延びる第１及び第２の中空の脚部７２、７４を有する。一体形発光管の個々の構成部品の向き及び形状は、多種多様な構成を採用することができる。
【００１６】
上記に代えて、内型２０は新たに形成された発光管７０が脱バインダ処理される前に除去されることができる。この方法においては、内型２０はロストフォーム技術で公知である種々の方法によって除去され、その後、新たに形成された発光管は、空気中で４〜８時間かけて室温から約９００〜１１００℃の最高温度まで昇温されて脱バインダ処理される。
【００１７】
また、内型の大部分の脱バインダ処理を例えば室温で行い、続いて熱サイクル処理を行ってコアを除去することも考えられる。外型を脱バインダ処理し続いて内側コアを除去するというこの逆の手順は、ある種の状況では明確な利点を有する。
【００１８】
脱バインダ処理し予備焼結した後に、図５のセラミック発光管７０は、好ましくは、水素雰囲気内において１５００℃より高い温度で、好ましい実施形態では約１６００ないし２０００℃で、最も好ましくは約１８００ないし１９００℃で焼結される。この焼結段階の結果として、少なくとも実質的に透明であるセラミック発光管が得られる。
【００１９】
得られた発光管は、複雑な内面及び外面輪郭を有する中空のセラミック発光管であって、高圧放電ランプへ使用できることを示している。該発光管は、焼結前に、約９９．９８％の純度及び約２〜１０ｍ2／ｇの表面積を有するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）からなることが好ましい。該アルミナ粉末は、粒子の成長を抑制するために、例えば、アルミナの約０．０３〜０．２重量％、好ましくは約０．０５重量％と等しい量のマグネシアでドープされることができる。使用できる他のセラミック材料には、酸化イットリウム、酸化ルテシウム、酸化ハフニウム、及びそれらの固溶体、並びにイットリウム−アルミニウム−ガーネット及び酸窒化アルミニウムなどのアルミナとの化合物のような、非反応性の耐熱性酸化物及び酸窒化物が含まれる。個別に又は組合せて使用できるバインダには、ポリオール類、ポリビニルアルコール、酢酸ビニル、アクリル系、セルロース系、及びポリエステル類のような有機ポリマーが含まれる。
【００２０】
１つの例示的な製作方法によると、放電チャンバの構成部品は、約４５〜６０容量％のセラミック材料及び約５５〜４０％のバインダを含む混合物を、内型２０と外型４０との組合せで形成された型内で射出成形することによって形成される。セラミック材料は、約１．５〜約３０ｍ2／ｇ、典型的には約３〜５ｍ2／ｇの表面積を有するアルミナ粉末を含むことができる。１つの実施形態によると、アルミナ粉末は少なくとも９９．９８％の純度を有する。アルミナ粉末は、粒子の成長を抑制するために、例えばアルミナの約０．０３〜０．２重量％、好ましくは約０．０５重量％と等しい量のマグネシアでドープされることができる。
【００２１】
バインダは、ワックス混合物又はポリマー混合物を含むのが好ましい。１つの実施例によると、バインダは、
３３と１／３の重量部の、融点が５２〜５８℃のパラフィンワックスと、
３３と１／３の重量部の、融点が５９〜６３℃のパラフィンワックスと、
３３と１／３の質量部の、融点が７３〜８０℃のパラフィンワックスと、
を含む。
【００２２】
１００重量部のパラフィンワックスに下記の物質、すなわち、
４重量部の白色蜜蝋と、
８重量部のオレイン酸と、
３重量部のステアリン酸アルミニウムと、
が添加される。
【００２３】
上述のパラフィンワックスは、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から、製品番号３１７６５９、３２７２１２、及び４１１６７１でそれぞれ入手できるが、本発明の範囲及び目的を逸脱することなく他の適切なバインダが使用できることは理解されるであろう。
【００２４】
射出成形の工程においては、セラミック材料とバインダとの混合物が、加熱されて高粘度の混合物を形成する。次いで、該混合物は適切な形状とされた型の中に射出され、その後冷却されて成形された部品が形成される。射出成形に続き、バインダ及び内型２０が、一般的には熱処理によって該成形された部品から除去され、脱バインダ処理された部品が形成される。この熱処理は、好ましい構成に従って、成形された部品を空気中或いは例えば真空、窒素、希ガスのような制御された環境中で、最高温度まで加熱することにより行われる。例えば、温度が、室温から１６０℃まで、１時間当り約２〜３℃づつ、徐々に昇温される。次いで、温度は、約９００〜１１００℃の最高温度まで、１時間当り約１００℃づつ昇温される。最後に、温度は、約９００〜１１００℃で約１〜５時間保持される。続いて、部品は冷却される。熱処理段階の後において、空隙率は約４０〜５０％である。
【００２５】
得られたセラミック発光管７０は、複雑な形状を有する単一要素形の発光管である。放電チャンバを構成する構成部品の数を減少させて、構成部品間の接合部の数を減少させることが望ましい。このことは、放電チャンバの組立をはかどらせ、製造時の潜在的な接合欠陥の数を減少させ、同時に取扱い時に接合部において放電チャンバが破損する可能性を減少させる利点を有する。本発明は、複雑な形状を形成するために、別々のセラミック構成部品を互いに接合する必要性を排除する。従って、前述のロストフォーム法とセラミック形成法との組合せにより、コストのかかる工程が排除され、また発光管における余分な材料の必要性が排除される。
【００２６】
本発明の発光管は、高圧放電照明用途に使用できることを示している。一般的に、高圧放電ランプは、充填材を収容するようにされたチャンバを有するセラミックハウジング（発光管）を備え、該充填材は放電チャンバ内に密封封入される。第１及び第２の電極が、チャンバ内に間隔を置いた関係で配置されて、両電極間に印加される電位に応答してアークを発生する。電極は、当技術でよく知られている方式で導線に接続されて両電極間に電位差を印加する。作動中、電極は、充填材料をイオン化して放電チャンバ内にプラズマを生成するアークを発生させる。セラミック製メタルハライドランプにおいては、充填材料は一般的に、Ｈｇと、Ａｒ又はＸｅのような希ガスと、ＮａＩ、ＴｌＩ、又はＤｙＩ3のようなハロゲン化金属との混合物を含む。充填材料の他の例は当技術でよく知られている。
【００２７】
本発明を、例示的な実施形態を参照して説明してきた。本明細書を読んで理解すれば、人々は修正及び変更を思い付くであろう。１つの好ましい実施例においては、機械加工されたグラファイトのコアが使用され、米国特許第５，１４５，９０８号に開示されたものと同様な組成形態を有するアルミナ懸濁液がコアのまわりにゲルキャストされ、アルミナは室温で脱バインダ処理され、コアはおよそ６００℃程度の高温で分解され、次いで外筒が焼結されて半透明の外筒が製造された。しかしながら、本発明は、何れかの１つの実施例に限定されるものではなく、変形及び変更が本開示の範囲に入る限り、それら変形及び変更を含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の方法を示す一連の形成段階の概略図。
【図２】本発明の方法を示す一連の形成段階の概略図。
【図３】本発明の方法を示す一連の形成段階の概略図。
【図４】本発明の方法を示す一連の形成段階の概略図。
【図５】本発明の１つの可能な発光管設計の概略図。
【符号の説明】
【００２９】
２０  内型
２２、２４  内型の脚部
２６  内型の本体
４０  外型
４２、４４  外型の脚部
４６  外型の中央部分
５０  キャビティ
６０  懸濁液
【国際公開パンフレット】
2004527874.tif 000003
2004527874.tif 000004
2004527874.tif 000005
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2004527874.tif 000013
2004527874.tif 000014
2004527874.tif 000015
2004527874.tif 000016
2004527874.tif 000017
2004527874.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004527874.tif 000019
2004527874.tif 000020
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004527874.tif 000021
2004527874.tif 000022
2004527874.tif 000023
2004527874.tif 000024
2004527874.tif 000025
2004527874.tif 000026
2004527874.tif 000027
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2004527874.tif 000029
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2004527874.tif 000031
2004527874.tif 000032
2004527874.tif 000033
2004527874.tif 000034
2004527874.tif 000035
2004527874.tif 000036
【国際調査報告】
2004527874.tif 000037